激光显示系统的设计与实现天津

激光显示系统的设计与实现

激光显示系统的设计与实现 2011年12月04日 来源： 1　激光显示的应用 激光显示（Laser Display），即以激光发生器为光源，在计算机的控制下，通过棱镜、转镜、衍射光栅、光路扫描器等各种光学设备将激光光束进行分光、转向、发散、扫描等处理，在幕体上显示出预定的效果、图案、文字或动画。根据国际激光显示协会（ILDA：International Laser Display Association）关于激光显示工业（Laser Display Industry）的定义，激光显示的应用主要有两种方式：激光表演（Laser Show）和激光效果(Laser Effect)。激光表演以激光为主，并辅以灯光、烟火、喷泉、音乐等，主要表现激光的特殊效果。如新加坡圣陶沙的激光音乐喷泉，成为当地旅游的一大景点。激光效果与前者相反，激光的演示只是为了辅助主题而提供激光的特效，如用激光显示系统作舞台背景灯光。这两种方式在功能上各有侧重，但在系统原理上是一样的。激光显示光色纯正，能量集中，系统方便地被计算机控制，能表现出应时应景的主体内容和艳丽奇特的效果魅力，其应用的场合非常广泛。如城市建设、舞台灯光、盛大集会、迪斯科舞厅、俱乐部、展示会、太空馆……本文介绍的激光显示系统在性能上完全能达到国外同类产品的水平，而在系统的价格和显示内容的编排尤其是中文图文处理功能上具有绝对优势，已在多个实际工程中得到应用。2　激光显示系统系统硬件设计和工作原理系统硬件由控制计算机、若干台激光发生器、光学控制台和幕体组成，在计算机的实时控制下工作。2．1　控制计算机 控制计算机是激光显示系统的控制中心，在系统工作时须提供两种控制信号：光学控制台内的光路切换信号和在激光表演节目中的产生图形、文字、动画的光路扫描器的定位信号。计算机一般配置：P4兼容机或品牌机，64M内存，4G硬盘，32速光驱，3.5英寸软驱，PCI总线接口，12位专用D/A卡。2．2　激光发生器激光发生器是整个系统的光源。根据激光显示的环境、幕体和要求达到的效果配置若干台不同颜色、不同功率的激光器。一般在室内显示、幕体与发射点距离越近，要求的功率越低，而由于人眼对红光的敏感度较高，相同条件下选择红色激光发生器的功率可比其它颜色的激光发生器的功率较低。激光的亮度B为光源单位发光表面S沿给定方向上单位立体角Ω内发光的光功率P的大小，即B=P/SΩ （2－1）激光器的发光截面和立体发散角非常小，在最好的情况下，输出光束的方向性可达至光束截面直径D所决定的衍射极限，即θ=θ衍≈2.24λ/D (2－2)其中，θ是平面发散角，λ为激光波长光束的立体发散角Ω为Ω=θ2 ≈(2.24λ/D)2 (2－3)光束传播距离L后，光斑直径D扩大为D=Lθ (2－4)大功率的气体激光器的亮度值可达108W/cm2?Sr=1012cd/m2（坎德拉/平方米）,固体激光器的亮度可达1015 cd/m2，在地面上看到的太阳的亮度近似值为1.5×109 cd/m2。激光器用于显示，其光亮强度800－1200流明，已能满足大多数人的要求，故显示系统的激光器的功率在几十mW①～20W。以下是激光显示系统中常用激光发生器的类型及其发光色彩：红色激光器：氦氖激光器（HeNe，波长632.8nm）、氪离子激光器（Kr＋，647.1nm）、半导体激光器（波长在630～650nm之间）蓝绿激光：以氩离子为主（Ar＋，488nm蓝色和514.5nm绿色）绿激光：掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG，530nm）倍频或半导体泵浦激光器黄绿激光：溴化亚铜（CuBr）或铜蒸气激光器白激光：即氩氪离子混合气体激光器2．3　光学控制台光学控制台是激光显示系统中控制光路的部分，包括导光系统和控制系统。导光系统对激光束进行光路切换、分光、衍射、或扫描，使激光束产生丰富多彩的效果。控制系统对导光系统的光学器件的位移、转动进行驱动控制。从激光器的激光光束直接通过空气传输②或通过光纤进入光学控制台的入光口，首先进入的是光路切换单元。2.3.1 光路切换单元在光学控制台的前端，由驱动电机和反射镜、计算机的控制信号控制电机的转角，带动反射镜将入射激光束反射切换到其它单元做进一步变换。分光单元、衍射单元、光路扫描单元和透反射单元可根据需求自由组合、增减，由计算机的控制显示出不同的效果。也可以外挂反射镜、雪球等光学器件，配合光学控制台一起营造现场气氛。2.3.2 分光单元由分光镜构成，可将混色激光的分成单色光。根据激光的光谱波长和折射原理，一束混色光经过分光镜后可得到多束光，再进入下一级单元。2.3.3 衍射单元由单个或多个衍射镜和驱动电机组成，电机的转动带动衍射光栅，光束透过光栅产生衍射效果。衍射镜可设计成平行、垂直、正交排列，表现出不同的衍射效果。2.3.4 光路扫描单元是整套系统产生图文效果的直接执行机构。采用X－Y两个方向的振镜（Scanner），使得进入这个单元的光束随振镜的方向而移动，从而射出的光束打在幕体上，形成移动的光点。当扫描频率足够高时，即可形成无闪烁的图文。振镜的驱动电机的控制信号来至计算机内的图文点坐标。图文点的坐标值（x,y）通过计算机内D/A卡分别输出到光学台X和Y方向振镜电机的驱动板，经放大驱动电机摇摆，使得图文的坐标（x,y）被一一对应地映射到幕体。2.3.5 透射反射单元由若干个透射镜和反射镜以及光学控制台外部的雪球等构成，器件的配置可增减。其主要功能是将一束光束经过本单元分成若干束光，经外挂雪球的反射可形成光网、光柱。2．4　幕体幕体是系统效果的表现载体，可以是水幕、烟幕、纱幕、墙体甚至空气等。幕体的质地不同，表现的效果也不同，各具特色。水幕、烟幕比较适合产生三维效果，如时空隧道、三维动感造型；纱幕、墙体类幕体相对比较稳定，适用于表现图形、文字；也可由空气做介质，直接在空中打出交织的光网、斑驳的光栅。当前在激光显示工业领域比较流行用旱地喷泉作水幕，表演激光演示节目。3　激光显示系统软件设计3．1　软件环境3.1.1 计算机操作系统：Windows3.1.2 应用软件：常用的软件有CorelDRAW、Photoshop、Autodesk Animator PRO等。由于激光演示的图形是由一支或多支光笔打点形成的，所以激光表演的图形设计要点的是图形的轮廓线和锚点。CorelDRAW的图形轮廓捉捕功能、Photoshop的路径（PATH）都给设计激光表演图形提供了强大的支持。3.1.3 控制软件：控制软件控制导光系统的光路切换和提供光路扫描信号。光学控制台的导光系统光路切换是由电机带动反射镜变化转角完成的。根据预先编排的节目，计算机通过D/A卡输出切换信号至分光单元的电机驱动板，经放大后驱动电机转动。光路扫描信号来自图文文件。通过一般的图形图像处理软件制作出要显示的图文轮廓线，在制作轮廓线时要注意轮廓线的封闭和简洁。根据显示图文的失真度取出轮廓线上的锚点，锚点取得越多，图形越接近原稿，但显示文件越大，一幅图的扫描周期增加。锚点的坐标(x,y)经D/A转换输出，通过光学控制台驱动板分别控制振镜的方向，将锚点映射到幕体。由于振镜的扫描频率很大，可以做到25帧图/秒，因此，激光扫描显示的质量可以保障。激光动画显示的原理与一般动画显示类似，一个动画文件由多幅动作相关的图片组成，依次取锚点坐标进行定位扫描。结束语在科技高速发展的今天，激光显示工业日趋成熟，激光显示的应用逐渐广泛。这一方面是由于激光光源所产生的效果能满足人们的追求新奇的心理，并带来一定的视觉冲击；另一方面，由于这种光源可方便地被计算机控制，通过编程，即可产生丰富的变化，极具智能化特点。激光显示系统，要求科技与艺术紧密结合，共同发展。(end)

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