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激光演示技術
閱讀:3005發布時間:2016-1-7
自60年代初激光問世以來,激光技術發展飛速,應用廣泛。激光演示就是激光技術在游樂、娛樂和大屏幕顯示領域的新發展。它是集激光, 精密光機, 光電控制、圖象處理和多媒體等高新技術于一體的一種新型的光電顯示形式。
激光演示誕生于七十年代初, 早在1979年我國國慶30典晚會上,采用激光進行天幕投射,那閃爍的光束,夢幻般的造型,絢麗的色彩圖案,為節日增添了熱烈氣氛,給人留下了難忘的印像。在美國佐治亞洲石頭山公園1000英尺高的石壁上,激光演示動畫和空間光束效果, 同時配以激昂的音樂,取得了神奇的效果。但是真正突破性的發展是zui近幾年的事。美國西雅圖的Lightspeed公司策劃和設計了1998年在葡萄牙首都里斯本舉行的世界出口展覽會上的大型激光表演, 耗資數百萬美元, 在國內,深圳鐳幻激光公司為海南熱帶海洋世界設計和建造的大型激光水幕多媒體系統是迄今為此大的激光多媒體演示系統工程。
激光演示也就是人們常說的Lasershow。 zui初的激光演示僅只能表演激光光束效果, 光干涉效應(Lumia)和簡單的激光“莉莎”(Lissajous)圖形。隨著激光技術, 高速掃描元件, 色彩合成和控制技術, 特別是激光演示軟件的快速發展, 今天的激光演示已不再是Lasershow所涵蓋的內容, 它不僅能表演特殊的激光光束效果, 還演示復雜的激光動畫和三維圖文。目前主要應用于游樂業, 娛樂業和廣告領域。
激光演示有如下幾個特點: (1) 它是一種投射式成像方式, 能夠實現超大屏幕的顯示; (2) 色彩鮮艷純正, 具有高的對比度(100:1); (3) 能夠產生特殊的空間光束效果和光束干涉效應; (4) 激光效應和圖形信號*數字化, 由電腦直接編程; (5) 它是一種“光筆”書寫的矢量化的圖形模式。
一、激光演示技術
激光演示系統主要由激光器、顏色混合和調制元件, 激光掃描投影器和電腦控制器以及多媒體部件組成。在電腦的控制下,激光光束經過色彩合成調制器、激光掃描儀投射在空間或屏幕上,向人們演示各種特殊的空間光束效果、出色的靜、動、三維立體圖文畫面。表演的節目和圖文畫面*按照用戶的要求,由電腦軟件事先或即時設計。
1.激光器
激光器是激光演示系統的關鍵部件。所使用的激光器取決于應用場所的大小、環境亮度、演示的顏色效果。它可以分為低功率(<1 W)和高功率(1~30W);單色(紅色或藍、綠)和彩色(紅,綠,藍色)。目前的低功率激光器有紅光氦-氖激光器(功率<50 mW), 空氣冷卻的氬離子(藍,綠光)或氬-氪氣體彩色激光器(功率: <1W), 對于高功率系統, 通常使用水冷的氬離子(藍,綠)激光(功率: 3.5 -30W)和氬-氪氣體彩色激光器(功率: 3.5 - 20W)。近年來也有人將高重復頻率工作的銅蒸汽(黃,綠光)用于激光光束表演。
隨著激光技術的發展, 二極管泵浦的固體激光器是激光演示領域的新寵兒[2]。它通過非線性光學技術(倍頻、和頻等)產生紅, 綠, 藍色激光。與氣體激光器比較, 全固體激光器的特點是: 結構緊湊, 功耗低, 效率高, 不需要水冷, 采用220伏供電。目前連續波綠光全固體激光器已商品化(如圖3所示), 如固體微片激光器(功率: <100mW)和高功率全固體倍頻激光器(功率: <10W)。但是, 要實現高功率連續波的藍色和紅色全固體激光器件的產品化還需要一段時間。另外, 低功率而廉價的紅光二極管激光器已開始用于簡單的激光藝術演示領域。
2.激光掃描
激光掃描器由X-Y光學掃描頭, 電子驅動放大器和光學反射鏡片組成。電腦控制器提供的信號通過驅動放大電路驅動光學掃描頭, 從而在X-Y平面控制激光束的偏轉。這類似于陰極射線管中對電子束的偏轉, 所不同的是: 光子不是帶電粒子, 它不能象電子束那樣通過磁場或電場控制。因此, 通常用于激光藝術演示的光學掃描頭是一種檢流計式的掃描頭[3][4]。 檢流計式掃描頭分為開環和閉環兩種。前者常用于簡單的激光光束演示, 而后者廣泛用于激光圖形演示。該種掃描頭的特點是偏轉角度大, zui大可達80度, 但是與其他類型的光學偏轉系統(如多棱轉鏡, 聲光偏轉器)比較, 由于折返和加速時間限制了它的掃描頻率。在激光演示系統中, 光學掃描的波形是一種矢量掃描, 系統的掃描速度, 決定激光圖形的穩定性。zui近幾年來, 人們已經開發出高速的掃描器, 掃描速度達到50000個點/秒[5], 因此能夠演示復雜的激光動畫。
激光掃描儀有不同的種類,光學平臺式:將投影儀, 激光器和其它的光電元部件集成在一光學平臺上; 分離式:用光纖光纜傳輸,安裝靈活機動;開環式:用于空間光束效果;閉環式:演示復雜的空間光束效果和圖文動畫。
3. 激光色彩控制器
激光色彩控制器用于控制彩色激光的顏色。在激光演示系統中, 簡單的色彩控制采用所謂的“色合”, 它實際上是一種濾色片[6]。 三種濾色片分別對紅,綠,藍三種顏色過濾, 通過組合這三個濾色片, 可產生7種不同的顏色。這種色彩控制器只能對每一幅圖形顯示單一種色彩。另外一種控制方式是使用三個聲光調制器, 分別對三種不同顏色的光束進行調制, 這就是所謂的RGB方法。的激光色彩控制器是多色聲光調制器(PCAOM)[2][5], 能夠同時控制8種不同的激光波長, 顯示上百萬種顏色。它象RGB控制器一樣, 能在一幅圖形內顯示不同的顏色。它的*性在于僅需要一個調制器, 安裝簡單, 有較高的光通量。
4.激光電腦控制器
激光電腦控制器是激光演示系統的中心單元, 用于控制激光掃描器, 色彩合成器,激光器以及其它的周邊設備。除開控制作用外, 另一個重要的功能是設計和編排激光演示節目。zui簡單的控制器是采用EPROM芯片儲存激光演示內容, 多用于激光光束表演。的電腦控制器是采用工控機式的多功能系統, 它具有四個獨立的X-Y圖形輸出通道, 可同時控制4個獨立的光學掃描投影器, 分別演示內容*不同的激光節目, 通過分光器或光纜可控制任意多個掃描投影器。該種控制用具有強大的編程功能, 能編排二維和三維激光動畫。
型的激光演示系統不僅能控制激光掃描器, 色彩合成調制器, 還具有如下的功能:
(1) 通過RS232接口控制激光器的功率, 在激光工作參數(電流, 電壓, 水流, 水溫等)不正常時, 自動封閉激光系統。(2) 四種工作模式: “自動光盤演示”:將電腦編程的激光表演節目(光束效果和激光動畫)軟件寫進光盤, 系統會自動演示儲存在數字光盤上的激光表演節目。“動態書寫”: 通過電腦鍵盤即時輸進文字, 將它儲存在音樂琴健上, 這種方式輸進的文本與激光演示節目結合在一起隨時進行表演。“交互控制”: 通過MIDI接口將激光效果和圖形儲存在音樂琴鍵上, 操縱者為所欲為地彈奏就可控制激光表演。“音樂聲控表演”: 激光表演與播放的音樂同步[5], 即由音樂的重音控制激光表演。(3) 激光演示多媒體系統: 新型的激光電腦裝有多個標準接口: SMPTE, DMX, SCSI, MIDI等。它不僅可以控制激光演示系統, 還能控制其周邊設備, 如燈光/音響, 水幕/噴泉, 幻燈投影, 視頻播放和電影機, 聲樂裝置, 煙機/風機, 屏幕/帷幕等。利用激光電腦的時鐘系統, 可定時開關, 并組合其控制功能, 編排激光多媒體系統的演示運行時序。(4) 系統網絡控制: 安裝MODEM, 通過通訊網絡, 激光演示中心的激光電腦工作站可以對外地的激光演示系統的工作狀態遠程監控, 故障診斷, 激光演示軟件傳遞。
zui近幾年激光演示軟件技術獲得了長足的發展。盡管電腦圖形軟件日新月異, 但是遺憾的是這些軟件(如CAD)不能用于激光演示[6]。其原因是: 光束不能象顯像管中的電子束那樣快速掃描和控制。 另外, 激光在屏幕上的掃描成像點不能象在顯像管的熒光屏上那樣產生余輝, 而會即時消失,這就要求采用新的電腦算法設計激光演示軟件。目前, 激光圖形的輸進主要采用如下幾種方式:(1) 圖形數字板;(2) 電腦直接編程;(3) 用一般的圖形掃描儀將圖形輸進電腦, 由Corel Draw進行加工處理, 并將其轉換成激光矢量化圖形格式。
二、激光演示技術的應用
激光演示幾乎不受場地的限制,在大型游樂場所, 如湖上水幕, 廣場噴泉, 城市街頭的高大建筑,自然游覽景區的峭壁懸崖,平坡坦嶺,大型瀑布, 均是激光投射的良好載體,甚至在特殊的天氣條件下, 如雨、霧、空氣中的濕潤成份, 更使激光演示產生神奇的視覺效果. 目前, 國內已有多處使用大型激光演示系統, 如深圳地王大廈的“激光地標系統”, 深圳“世界之窗”和“民俗文化村”的激光舞臺系統。作為一種新型的信息傳播媒體, 激光廣告已開始在國外很多公共場所, 大型展覽會館使用, 激光廣告色彩艷麗, 字畫清楚, 遠遠可見,可隨時更新廣告內容。通過MODEM與電腦網絡相連接, 可及時發布信息, 配合出色的空間光束, 更能增加廣告的宣傳效果。
激光演示具有不同的的表現形式:激光水幕,激光音樂噴泉,激光迷宮, 激光舞臺藝術,激光迪斯科樂園。它廣泛應用于游樂園,室外廣場,城市高大建筑,城市夜空裝點,都市激光水幕電影,激光音樂噴泉,激光迷宮,激光迪斯科樂園,歌舞廳,夜總會,酒店,電視臺演播廳,戲院,電影院,大型購物中心,天文館,運動場館節日晚會,城市和企業慶典,運動會開、閉幕式,燈會,模特表演會,大屏幕激光廣告,企業形象宣傳,展廳布置,產品展示。
三、激光演示技術的發展
隨著應用領域和市場的不斷發展, 新型激光演示系統性能可靠, 操縱簡單, 維護方便, 編程簡單易學, 多媒體功能, 配置靈活。特別是隨著激光技術的快速發展,新型的全固體激光器已經開始代替氣體激光器, 成為激光演示系統的新型光源。與傳統的氣體激光器相比較,全固體激光器效率高,結構緊湊,性能穩定可靠,壽命長,光束質量好,能耗低,空氣冷卻。德國SCHNEIDER和JENOPTIK公司已經研制出高功率(10瓦)全固體彩色激光器(如圖5),并已經應用于激光演示系統。深圳鐳幻激光公司在國內開發出高功率全固體綠光激光表演系統,該系統綠光激光功率20瓦,色彩鮮艷,結構緊湊,已經在山東曲阜游樂園和深圳美麗中華成功安裝使用,演示效果良好。
在系統技術方面,要實現高質量的圖像, 必須研究快速掃描裝置。聲光偏轉裝置能實現高速掃描, 但是目前它的偏轉角度小, 還不能滿足要求。zui近幾年,高速振鏡掃描系統發展迅速,目前zui高掃描速度已經達到50000點/秒。在激光電腦控制器方面, 采用的DSP技術, 能夠實現多功能控制和復雜圖形效果的編程。在激光顯示圖形的天生和處理技術方面,人們已經開發出由BMP和3D MAX圖象直接轉換技術。在國內,深圳鐳幻激光公司開發的“新型激光顯示系統”,是國內*具有自主知識產權、更貼近中國人使用的激光顯示系統,*該領域國內的空缺。該系統采用的光電控制技術和創新的圖形漢字輸進和處理技術,避免了國外激光演示系統操縱的復雜性和非中文界面等缺點,獲得深圳市科技進步獎和被認定為“高新技術項目”,2003年被國家*等五部委認定為“國家重點新產品”。
的進一步發展是激光電視,這是人們長期夢寐以求的發展。與電子束顯示(CRT)、發光二極管顯示(LED)、液晶顯示(LCD)、等離子體顯示(PDP)等顯示技術相比,激光顯示具有以下優點:(1)采用投射式成像,能實現遠間隔超大屏幕的顯示;(2)激光束色域寬廣,具有高對比度(100:1)和色飽和能力(*);(3)能夠在任意外形的表面顯示;(4)激光能產生其他光源無法提供的特殊的空間光束效應和干涉衍射圖像;(5)采用矢量掃描方式,特別適合與電腦數字控制系統相結合,充分利用電腦軟硬件資源。2000年德國已經研制出實用化的激光投影電視產品,并且用于漢沙公司的飛行模擬和蔡司公司的大型天文館。2001年,中國已經開始將激光電視技術的研究和開發列進國家863計劃項目。相信在不久的將來,激光電視將進進家庭。
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