Лазерные средства отображения информации

РЕФЕРАТ “Лазерные средства отображения информации” Лазерные методы индикации. Практическая осуществимость лазеров была впервые показана в 1960 г. После этого развитие лазерной техники происходило рекордными темпами. В настоящее время существует еще много проблем, связанных с при-менением лазеров в области индикации, включая проблемы, касающиеся суммарной яркости, сканирования, модуляции и срока службы.

Тем не менее лазер имеет много достоинств при рассмотрении его как индикаторного уст-ройства. В их число входят высокая яркость луча, малый размер пятна и воз-можность работы в реальном масштабе времени. Первые продемонстрированные лазеры были импульсного типа. В ка-честве основного источника света в них использовался рубин, а необходимая мощность оптической накачки вырабатывалась лампой - вспышкой. После этого были разработаны газовые лазеры непрерывного излучения

и полупро-водниковые лазеры. Существующий уровень техники позволяет использо-вать любой из основных лазерных материалов как в режиме непрерывных колебаний, так и в импульсном режиме. Мощность накачки может либо вы-рабатываться электрически, либо, что более часто, подводится от внешнего источника света. Однако получаемые к.п.д. еще низки: порядка нескольких процентов у импульсных лазеров и примерно 0,1% у лазеров непрерывного излучения. Основное лазерное действие поясняется выражением “Light

Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (усиление света посредст-вом индуцированного излучения), из начальных букв слов которого был об-разован термин “лазер”. При разнесении двух параллельных зеркал на рас-стояние, кратное длине волны испускаемого света, свет отражается обоими зеркалами и возвращается в фазе, стимулируя дальнейшее излучение. Свето-вое излучение возникает в результате переходов электронов из возбужденно-го состояния в состояние

с меньшей энергией. Для создания возбужденных электронов должен использоваться внешний источник энергии (обычно оп-тической). Этот источник энергии переводит электроны в возбужденное со-стояние, благодаря чему они могут излучать световую вспышку при возвра-щение в свое нормальное состояние. Процесс повышения энергетических уровней этих электронов называется накачкой. Поскольку на пути между зеркалами укладывается целое число длин волн, в лазере создаются колебания,

соответствующие очень узким спек-тральным линиям. Иногда генерируется множество частот, которым соответ-ствуют длины волн, укладывающиеся целое число раз на длине основного пути. Еще одним важным свойством лазера является когерентный характер его излучения. Так как свет генерируется синфазно, ширина луча ограничи-вается дифракией. Развертывающее устройство с бегущим лучом. Предлагалось использовать лазер в развертывающем устройстве

с бегущим лучом для освещения визуального объекта с целью последующего преобразования изображения в видеосигнал с помощью фотоумножителя. Помимо трудностей, связанных со сканированием, нужно отметить, что сис-тема может работать только на небольших расстояниях. Преобразование изображения в видеосигнал на очень больших расстояниях, таких, как в ра-диолокации, потребовало бы гораздо больший уровень мощности, чем дос-тижимый в настоящее время.

Лазерный индикатор с большим экраном. Лазер часто предлагалось использовать для получения управляемого светового потока в проекционной индикации. Схема метода представлена на рис. 1. Лазер должен быть снабжен источником энергии для отклонения и модулировании луча. Экран может быть либо активным, либо пассивным. В активном экране применяется такой же принцип, как в электролюминес-центном усилителе света, с целью получения более высоких яркостей, чем при использовании

только лазера. Величина отклонения является функцией количества разрешаемых элементов и ширины луча лазера, которая может составлять от нескольких угловых секунд до одной угловой минуты. Большая ширина луча приводит к уменьшению необходимого расстояния между проекционным объективом и экраном при тех же самых размерах экрана и разрешающей способности, но требует большего угла отклонения. Существующие лазеры дают возмож-ность построить систему с разрешением 1000 линий и углом отклонения 16

и менее. При различных исследованиях методов отклонения лазерного луча получено от 256 до 1000 разрешаемых элементов и в горизонтальном и в вертикальных направлениях. К основным методам отклонения относятся: изменение с помощью ультразвука градиента показателя преломления, обес-печивающее отклонение на 5 ; сканирование с использованием электронно - оптической призмы и титаната бария, обеспечивающее отклонение на 1 ; использование аномальной дисперсии, обеспечивающей отклонение

на 10 ; сканирование с использованием пьезоэлектрического элемента для отклоне-ния меньше чем на 1 . Ограниченное количество применимых методов затрудняет осуществ-ление отклонения в лазерных индикаторах. Возникает две проблемы, связан-ные с ограниченными углами отклонения и малым размером пятна. Если требуемый угол отклонения мал (1 ), то приемлемой ширине экрана соответ-ствует большое расстояние между экраном и проектором. При отклонении на 1 это расстояние должно быть равно 120 м при ширине экрана 210

см. При большом угле отклонения (20 ) требуемое расстояние между экраном и про-ектором уменьшается до более реального значения 6м, но встают проблемы, связанные с размером пятна и отклонением. Ширина луча постоянна у любо-го данного лазера. Поэтому с увеличением угла отклонения увеличивается количество разрешаемых элементов. Это, в свою очередь, требует повыше-ния скорости сканирования (развертки), чтобы предотвращать ухудшение качества изображения.

Например, если размер пятна в системе позволяет по-лучить разрешение 4000 линий, а используется только 500 строк развертки, то изображение получится разделенным на плоскости, имеющие значитель-ное разрешение. Ширина луча типичного лазера равна 10 угловым секундам, что обеспечивает разрешение 7200 элементов при угле отклонения 20 . Яркость экрана В в нитах может быть вычислена с помощью выраже-ния: В = РКG/ПА, (1) где Р - выходная мощность лазера, вт;

К - эффективность преобразова-ния энергии источника, лм/вт; G - усиление экрана; А - площадь эрана, м . В индикаторе должен использоваться лазер непрерывного излучения. Такие лазеры в настоящее время имеют выходную мощность порядка 1вт. В случае экрана размером 4,645 м , К = 500лм/вт, G = 3, ожидаемая яркость равна 102,9 нт. Однако современные лазеры изучают в красной области спектра со значительно меньшей эффективностью преобразования

энергии. В литературе описаны и другие методы построения лазерных систем индикации. В одной из них лазерный луч используется для скрайбирования металлического покрытия стеклянного диапозитива. При этом лазер приме-няется вместо пера с электромеханическим приводом. Если окажется воз-можным разработать соответствующие схемы отклонения, этот метод позво-лит получить значительно большую скорость, чем скорости в современных вычерчивающих проекторах.

В этой системе для проецирования использует-ся внешний источник света, что снижает требуемые мощность лазера и его рабочий цикл (и, следовательно, увеличивает срок службы лазера). Основная проблема, которая еще должна быть решена, касается воз-можности испарения металла без повреждения стеклянного объектива (и всей проекционной системы). К основным методам лазерной индукции относится также использова-ние лазерного луча для записи на активном

экране. Экран может быть вы-полнен из фотохромного, электролюминисцентного или другого материала, вырабатывающего или модулирующего свет. При использовании фотохром-ного экрана требуется ультрафиолетовый лазер. В случае электролюминис-центной панели идеальным является метод координатной сетки с памятью на фотоэлементах. Если выборочное стирание не требуется, то построение сис-темы не связано с трудностями коммутации, которые обычно присущи мат-ричным индикаторам. Выпускаемые в настоящее время электролюминис-центные

панели имеют достаточный световой выход и срок службы для применения в театральных системах. При работе этих систем лазерный луч используется для включения надлежащего фотоэлемента. После этого фото-элемент поддерживается во включенном состоянии свечением связанного с ним электролюминисцентного элемента. Лазерная фотография. Одним из спецефических применений лазеров в индикации является формирование голограмм. В фотографировании этого типа когерентные свойства света используются для формирования на

фотопленке интерферен-ционной картины изображения. Это осуществляется посредством расщепле-ния лазерного луча на две части (или более), из которых одна освещает пленку непосредственно в качестве опорного луча, а другие освещают объ-ект. От объекта свет отражается к пленке и складывается со светом опорного луча, образуя интерференционные картины. Получаемое изображение, называемое голограммой, имеет специфиче-ские свойства.

При рассматривании голограммы в свете когерентного источ-ника получаются два изображения: действительное и мнимое. Действитель-ное изображение можно фотографировать, помещая пленку в его плоскость, без использования объектива. Мнимое изображение можно видеть за голо-граммой при ее непосредственном наблюдении. Эти изображения имеют несколько характерных особенностей. Мни-мое изображение воспринимается как полное трехмерное изображение, сво-бодное от каких - либо недостатков

обычного трехмерного фотографирова-ния. Изменяя свое положение, наблюдатель может заглянуть за лежащие за переднем планом предметы точно таким же образом, как при наблюдении исходного объекта. Еще одна необычная особенность состоит в том, что раз-резание голограммы на две половины уменьшает разрешение изображения, но не изменяет его размеры. Эта особенность объясняется тем, что свет, идущий из каждой точки объекта, регестрируется на всей поверхности

плен-ки. Существуют и другие полезные особенности, но они мало значат для ин-дикации. Одним из очевидных применений голограмм является объемное теле-видение. Исходная голограмма может регестрироваться непосредственно на поверхности изображения в телевизионной камере. При сканировании эта голограмма преобразуется в телевизионный сигнал, который может наблю-даться на специально сконструированном приемнике. Трудности осуществ-ления такой системы связаны с необходимостью

использовать очень широ-кую полосу частот для передачи сигнала, совершенствовать устройства, пре-образующие изображение в видеосигнал, применять когерентный свет для освещения объекта и специальный приемник. Однако голографическая фо-тотелеграфная система может быть изготовлена при существующем состоя-нии техники. Устройства отображения информации на лазерных генераторах света. Применительно к индикаторным устройствам представляют интерес следующие свойства излучения лазеров:

пространственная когерентность, временная когерентность, цвет и яркость. Когерентность - высокая степень согласованности фаз колебаний, образующих волновой фронт. Пространственная когерентность означает же-сткую взаимосвязь фаз колебаний, разделенных временным интервалом, и равнозначна узкополосности по частоте. Лазер представляет собой когерентный источник света. Путем подбора трех источников света с соответствующими основными цветами и введения их в схему аддитивного

образования цветов можно воспроизвести широкую гамму цветов. Для получения основных цветов могут быть использованы ге-лий - неоновые и арго - неоновые лазеры. Пиковая яркость (кд/м ) рассматриваемого участка изображения B = GFnKз/( S), (2) где - световой КПД оптической системы; G - коэффициент яркости экрана; Fn - пиковое значение светового потока, лм;

Кз - коэффициент за-полнения, равный отношению времени пребывания луча лазера на любом элементе изображения ко времени воспоизведения этогор изображения, м . Пиковое значение светового потока Fn = WK C, (3) где W - выходная мощность лазера, Вт; К - значение функции относи-тельной видности для излучения источника света; С - коэффициент пересче-та , лм/Вт. Если длина волны = 555нм, то коэффициент

С=680 лм/Вт. На рис. показана схема УОИ с использованием лазера. Лазер Л, опти-ческий модулятор МО, дефлектор Д, схема управления модулятором СУМ, схема управления дефлектором СУД и источник питания ИП образуют ла-зерный проектор. Отображается информация на экране Э. Вспомогательное оборудование, в которое входит ЭВМ и буферно - преобразовательное запо-минающее устройство

БЗУ, лазерный проектор и экран обеспечивают управ-ление процессом отображения информации, а также долговременное и крат-ковременное ее хранение. При разработке УОИ на лазерах используются следующие методы : ви-зуальная лазерная индикация,когда на экран направляется собственный свет лазера; индикация с активным экраном,когда луч лазера применяется лишь для управления световым излучением некоторого активного материала экра-на;лазерно-лучевой световой клапан,когда луч лазера обеспечивает местное управление оптическими

параметрами некоторого материала (его коэффици-ентом отражения или коэффициентом пропускания),а отдельный источник обычного типа дает свет для проекции на экран;лазерный генератор изобра-жения с непосредственным воздействием на объемный резонатор (такой ге-нератор позволяет получить двумерное изображение непосредственно от ла-зерного источника). При отображении информации используют способ “последовательной выдачи”, когда луч лазера последовательно обходит все точки поверхности экрана, либо способ “выборочного отображения”,

когда луч лазера направля-ется только на те элементы экрана,в которые вводится информация. Модулятор света предназначен для наложения изменяющейся во вре-мени информации на излучение лазера путем изменения во времени его яр-кости. Если изменения информации синхронизированы с перемещением лу-ча дефлектора, то информация превращается в зрительно воспринимаемое изображение. К основным характеристикам модулятора относят ширину полосы час-тот, характеристики светопропускания

и воспроизведения полутонов, кон-трастные характеристики, рассеиваемую мощность, линейность и требования к модулирующему сигналу. Требуемая полоса частот модулятора зависит от необходимого качества изображения и способа отображения. При последо-вательной выдаче число строк n =2*0,75df(1-C0)/(fkRc), (4) где df - ширина полосы частот или верхняя граничная частота модуля-тора,МГц; C0 - отношение времени обратного хода к полному времени раз-вертки; fk - частота смены кадров,

с ; Rc - разрешающая способность по строкам, линия/кадр; 0,75 - коэффициент, учитывающий формат кадра, рав-ный 4:3. Коэффициент 2 в (4) учитывает, что переход от черного элемента раз-вертки к соседнему белому происходитза время одного периода модули-рующего сигнала. При выборочном отображении ширина полосы частот модулятора оп-ределяется быстродействием системы отклонения. В этом случае модулятор в основном используют только

для гашения луча в моменты его переключе-ния, т. е. при переходе от знака к знаку, и поэтому требуемая ширина полосы частот оказывается меньшей, чем в первом случае. Характеристики светопропускания модулятора в значительной мере определяют его надежность, так как рассеяние даже нескольких процентом мощности лазера может привести к перегреву кристаллических элементов, из которых изготовляют модуляторы. Контраст характеризуется отношением максимальной мощности, про-ходящей через

модулятор, находящийся в возбужденном состоянии, к мини-мально достижимому значению мощности, которая тем меньше, чем меньше расходимость луча. Используя лучи с минимальным угловым расхождением, можно за счет ухудшения светопропускания повысить контраст. Для получе-ния пяти градаций полутонов требуется контрастность больше 20 и линейная модуляционная характеристика. Этими трабованиями можно пренебречь, если устройство должно отображать знаки, а не полутоновые изображения.

Для изменения интенсивности луча лазера используются различные способы. Необходимость воспроизведения широкой полосы частот с целью получения высокой разрешающей способности требует быстродействующих устройств, в качестве которых используют электрооптические модуляторы с линейным или квадратичным эффектом. Линейный электрооптический эффект (эффект Поккелса) возникает при возбуждении кристаллов дигидроген фосфата калия, дидейтериум фос-фата калия,

дигидроген фосфата аммония. Характерная черта таких модуля-торов - то, что приложенное электроческое поле параллельно направлению светового луча. Многие изотропные материалы, помещенные в электроческое поле, ве-дут себя подобно одноосным кристаллам, оптическая ось которых совпадает с направлением поля. В этом случае наведенное двойное лучепреломление является функцией квадрата напряженности электрического поля, а само яв-ление называется квадратичным электрооптическим эффектом (эффект

Кер-ра). Квадратичный эффект наблюдается при использовании нитробензола, кристаллов из семейства перовскитов и т. д. Дефлекторы, осуществляющие управление лучом, основаны на раз-личных способах отклонения луча: механическом, рефракционном, дифрак-ционном, когерентной оптической фазовой решетки, двоичного электрооп-тического управления положением луча и др. Механический способ реализуется с помощью применения двух вра-щающихся многогранных призм или зеркала с весьма высоким коэффициен-том отражения, перемещающего

по горизонтали и вертикали пьезоэлектри-ческим и гальванометрическим приводами. Способ обеспечивает относи-тельно большие рабочие углы отклонения (до 10 - 12 ) и достаточно высокий оптический коэффициент полезного действия. Быстродействие таких уст-ройств мало, поэтому их можно использовать лишь при режиме последова-тельной выдачи. Кроме того, им свойственны нестабильность, жесткие до-пуски на элементы, трудности синхронизации

и т. д. Рефракционный способ реализует известное оптическое свойство - от-клонение светового луча в следствии преломления (рефракции) на границе двух прозрачных сред. В этом случае применяют электрооптическую призму или ультразвуковую рефракционную ячейку. Дифракционный способ может быть использован , если диаметр па-дающего светового пучка существенно больше длины ультразвуковой волны, когда возникает дифракция света (при растровой развертке).

Он обеспечива-ет малые рабочие углы (до нескольких градусов) и низкую эффективность отклонения. Способ когерентной оптической фазовой решетки основан на свой-стве излучения лазера, характеризующимся высокой степенью временной и пространственной когерентности. Это свойство используется для отклонения лазерного луча за счет разделения его на множество параллельных лучей и изменения относительных фаз между соседними лучами в ближней зоне по-ля.

Этот способ требует высокой стабильности как источники света, так и дефлектора и имеет ряд других ограничений. Способ двоичного электрооптического управления световым лучом основан на использовании свойства двойного лучепреломления некоторых веществ. В таких веществах обычный неполяризованный луч света расщеп-ляется на два луча. Один из лучей называется обыкновенным, а другой - не-обыкновенным. Эти лучи линейно поляризованы, причем плоскости их по-ляризации взаимно ортогональны.

Если свет, падающий на вещество с двой-ным лучепреломлением (по нормали), полностью линейно поляризован и его плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации обыкновенного луча, то свет проходит не отклоняясь. Если падающий свет линейно поляри-зован в плоскости необыкновенного луча, выходной луч оказывается сме-щенным относительно точки выхода обыкновенного луча. Величина такого смещения пропорциональна толщине кристалла с двойным лучепреломлени-ем (КДП).

В качестве такого вещества используют кальцит. Кристалл такого рада может выполнять функцию двоичного переключения линейно поляри-зованного света, преобразующего обыкновенный О-луч в необыкновенный H- луч путем введения фазового запаздывания на 180 при воздействии на кристалл напряжения полуволнового запаздывания. На рис. показана схема двоичного переключателя. Когда на кристалл падает линейно поляризованный свет, плоскость поляризации которого сов-падает с плоскостью

поляризации О - луча (приложенное к электрооптиче-скому кристаллу ЭОК напряжение равно нулю) переключатель открыт. В этом случае свет через кристалл кальцита КДП проходит не отклоняясь, а точка выхода света соответствует точке выхода О - луча. Если к ЭОК прило-жено напряжение U , то переключатель закрыт, падающий О - луч превра-щается в H - луч, свет распространяется по пути, соответствующему пути

H - луча. Комбинация ЭОК и КДП представляет собой двоичное электрооптиче-ское устройство управления положением светового луча. Если свет пропускать через n переключателей , то можно получить 2 управляемых положений луча. Чтобы получить двумерную систему отклоне-ния, необходимо использовать вторую систему переключателей, которая должна обеспечивать смещение луча в направлении, перпендикулярном пер-вому. Этот способ управления лучом - перспективен. Для обеспечения мак-симальной четкости изображения в

УОИ с большими экранами применяют лазеры непрерывного действия с мощностью в несколько ватт, в качестве КПД - кристаллический кварц и исландский шпат. Многоцветное изображение может быть получено использованием не-скольких лазеров, работающих параллельно и имеющих различные спек-тральные линии излучения, причем у каждого лазера своя система отклоне-ния, настроенная на соответствующую линию излучения. Система аналогичного назначения может быть рассчитана на работу нескольких лазеров на общее устройство

дискретного отклонения, в котором с помощью специальных мер устранены хроматические аберрации. Более совершенна система, в которой излучается несколько цветов от одного ла-зерного генератора с переключаемыми линиями излучения, работающего на общее хроматическое дискретное устройство отклонения. Достоинства УОИ коллективного пользования на лазерах: отображение информации в реальном масштабе времени, высокая разрешающая способ-ность, получение многоцветных изображений, отсутствие промежуточных носителей,

возможность создания экрана практически любых размеров для коллективного пользования. К недостаткам их следует отнести сложность, низкую эффективность, малую надежность и наличие сцинцилляций (искрения) изображения. Однако существенные достоинства УОИ на лазерах, а также интен-сивное развитие и совершенствование лазерной техники позволяют считать их весьма перспективными, поэтому в последние годы ведутся большие ра-боты, направленные на разработку,

исследование и внедрение УОИ на лазе-рах. Заключение. Системы индикации, которые появятся в ближайшие 20 лет, вероятно, будут значительно отличаться от систем, используемых в настоящее время, вследствие применения в них ряда методов, находящихся сейчас в стадии научных исследований. На данное время лазерные средства отображения информации занима-ют одно из ведущих мест в системах отображения информации и при даль-нейших темпах развития, возможно, в ближайшем будущем

займут первое место.