устройство с ультрафиолетовым лазером для отображения статических и динамических цветных изображений на флуоресцирующем экране

Формула изобретения

1. Устройство для отображения лазерных цветных изображений на флуоресцирующем экране, содержащее источник когерентного излучения, установленные последовательно по ходу пучка коллиматор, блок модуляции мощности, блок сканирования, проекционное средство и экран и блок управления, включающий компьютер, отличающееся тем, что источник когерентного излучения выполнен в виде источника монохроматического поляризованного излучения, генерирующего в ультрафиолетовой области спектра, связанного с блоком управления, а экран выполнен из совокупности регулярно расположенных пикселей, каждый из которых включает три раздельных элемента, флуоресцирующих соответственно красным, зеленым и синим цветами при освещении элемента монохроматическим ультрафиолетовым пучком от источника когерентного излучения, с размером каждого отдельного элемента в пикселе, равным поперечному размеру пучка источника когерентного излучения в месте расположения экрана, а размер каждого отдельного пикселя не превосходит линейную величину, разрешаемую глазом, при этом проекционное средство установлено либо за экраном так, что ось проекционного средства перпендикулярна плоскости экрана, либо со стороны зрителя так, что ось проекционного средства наклонена к плоскости экрана на угол, при котором блики от поверхности экрана не попадают в глаза зрителей.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между источником когерентного излучения и коллиматором дополнительно установлен оптоволоконный кабель с соответствующим коллиматором для ввода излучения в оптоволоконный кабель.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним дополнительным источником когерентного излучения, связанным с блоком управления и оптоволоконным сумматором, при этом каждый источник когерентного излучения через соответствующие дополнительные коллиматор и оптоволоконный кабель подсоединен к входу оптоволоконного сумматора, выход которого соединен с оптоволоконным кабелем, и через коллиматор подсоединен к входу блока модуляции или блока сканирования.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока модуляции мощности и блока сканирования использован один двухкомпонентный акустооптический дефлектор (ХУ-АОД), в котором частота управляющего сигнала на Х (У) дефлекторе определяет положение дифрагированного пучка по Х (У) координате, а амплитуда управляющего сигнала на Х (У) дефлекторе определяет интенсивность дифрагированного пучка, при этом выходы блока управления соединены с соответствующими входами Х (У) дефлекторов в ХУ-АОД.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что после ХУ-АОД по ходу пучка установлены два зеркальных отражателя с соответствующими блоками поворота, при этом повороты зеркальных отражателей синхронизированы с работой ХУ-АОД так, что поворот одного из зеркальных отражателей происходит в момент окончания работы ХУ-АОД, начало последующей работы ХУ-АОД совпадает с окончанием поворота, при этом управляющие входы блоков поворота соединены с соответствующими выходами блока управления.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока сканирования использовано средство, состоящее из вращающейся призмы с зеркальными гранями, осуществляющей сканирование пучка по координате X, и колеблющееся зеркало, осуществляющее шаговое сканирование по координате У, при этом частота вращения и количество граней призмы и частота колебаний зеркала рассчитаны так, чтобы за время Т образовать N строк с М пикселей в строке в плоскости экрана, а модуляция мощности пучка осуществляется однокомпонентным акустооптическим дефлектором (АОД), установленным перед блоком модуляции угловым положением пучка, при этом управляющие входы блока управления вращением призмы, колебанием зеркала и амплитудой сигнала на АОД соответственно соединены с выходами блока управления.

7. Устройство по любому из пп.4-6, отличающееся тем, что частотный вход АОД используется для дополнительной коррекции положения пучка на экране либо по координате X, либо по координате У.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве блока модуляции мощности и блока сканирования использована система, состоящая из однокомпонентного Х-АОД, осуществляющего модуляцию мощности пучка и сканирование пучка по координате Х, и колеблющегося зеркала, осуществляющего сканирование по координате У, при этом время развертки по координате Х и частота колебаний зеркала рассчитана так, чтобы за время Т образовать N строк с М пикселей в строке в плоскости экрана, при этом управляющие входы блока управления колебанием зеркала, амплитудой и частотой сигнала на АОД соединены с соответствующими выходами блока управления.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что перед Х-У АОД установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка, вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проекционное средство выполнено в виде объектива, согласованного с параметрами сканирующей системы и определяющего линейные размеры сканируемой области.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что три раздельных элемента пикселя выполнены в виде полос соответственно красного, зеленого и синего цветов, которые чередуются тройками друг с другом, причем полосы расположены вертикально, горизонтально или наклонно, а поперечный размер полосы определенного цвета равен диаметру пучка в месте расположения экрана, при этом размер всего пикселя равен утроенному размеру пучка в плоскости экрана.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что полосы выполнены из оптически прозрачного материала, легированного флуоресцентными присадками, а проекционное средство расположено за экраном.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что полосы нанесены на зеркальную поверхность.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый пиксель выполнен в виде трех кружков, при этом каждый кружок в пикселе флуоресцирует после попадания на него пучка соответственно только красным, зеленым или синим цветом, при этом кружки флуоресцирующего вещества сгруппированы так, что центры троек образуют равносторонний треугольник, а тройки регулярно уложены в гексагональную структуру экрана.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что слой флуоресцирующего вещества нанесен отдельными шестигранниками.

16. Устройство по п.14, отличающееся тем, что слой флуоресцирующего вещества нанесен на прозрачную поверхность.

17. Устройство по п.14, отличающееся тем, что слой флуоресцирующего вещества нанесен на зеркальную поверхность.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что слой флуоресцирующего вещества нанесен на зеркальную поверхность с углублениями под каждый пиксель.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый пиксель выполнен в виде трех кружков, при этом каждый кружок в пикселе флуоресцирует после попадания на него пучка соответственно только красным, зеленым или синим цветом, при этом кружки флуоресцирующего вещества сгруппированы так, что центры троек образуют прямоугольный треугольник, а тройки регулярно уложены так, что образуются линейки по горизонтали и столбцы по вертикали экрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано для отображения на экране цветных статических и динамических лазерных изображений, созданных на основе пиксельной компьютерной графики. Известно устройство для визуализации цветного изображения, содержащее лазер, блоки сканирования и модуляции лазерного излучения и блок визуализации, выполненный в виде набора пластин. Каждая из пластин покрыта веществом, преобразующим лазерное излучение в видимости, патент (патент РФ 2111627 С1, 1998).

Недостатком этого устройства является низкое качество воспроизведения изображения.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для отображения статических и динамических лазерных многоцветных изображений, содержащее источник когерентного излучения, установленные по ходу пучка коллиматор, блоки модуляции мощности и углового положения пучка, а также проекционное средство, экран и блок управления, включающий компьютер с быстродействующими интерфейсами, исходным материалом которого является компьютерный файл с графической информацией (патент РФ 2116703). В этом устройстве присутствуют лазерные пучки красного - R, зеленого - G и синего цветов. При этом цветные изображения, формируемые R-, G-, В-каналами, совмещаются на экране механически, юстировкой выходных объективов и, более точно, при помощи компьютерной программы совмещения изображений от разных каналов. Полноцветное сфокусированное изображение существует только в плоскости светорассеивающего экрана, удаленного на фиксированное расстояние.

Недостатком этого устройства является то, что наблюдение яркой картины на больших экранах возможно в условиях полной темноты, что ограничивает использование устройств для целей рекламы, а также сложность проекционного устройства, состоящего из трех независимых каналов.

Техническим результатом изобретения является повышение яркости экранов и уменьшение стоимости устройства за счет упрощения его конструкции.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в проекторе с лазером для отображения статических в динамических цветных изображений на флуоресцирующем экране, содержащем источник когерентного излучения, установленные последовательно по ходу пучка коллиматор, блок модуляции мощности, блок сканирования углового положения пучка, проекционное средство и экран и блок управления, включающий компьютер с быстродействующими интерфейсами, исходным материалом которого является компьютерный файл с графической информацией, источник когерентного излучения выполнен в виде источника монохроматического поляризованного излучения, генерирующего в ультрафиолетовой области спектра, связанного с блоком управления, экран выполнен из совокупности регулярно расположенных пикселей, каждый из которых включает три раздельных элемента, флуоресцирующих соответственно красным, зеленым и синим цветами при освещении элемента монохроматическим ультрафиолетовым пучком от источника когерентного излучения, с размером каждого отдельного элемента в пикселе равным поперечному размеру пучка источника когерентного излучения в месте расположения экрана, а размер каждого отдельного пикселя не превосходит линейную величину, разрешаемую глазом, при этом проекционное средство установлено либо за экраном так, что ось проекционного средства перпендикулярна плоскости экрана, либо со стороны зрителя так, что ось проекционного средства наклонена по одной координате к плоскости экрана на угол, при котором зеркальные блики от поверхности экрана не попадают в глаза зрителей.

Частными признаками являются

- между источником когерентного излучения и коллиматором дополнительно установлен оптоволоконный кабель с соответствующим коллиматором для ввода излучения в оптоволоконный кабель,

- введен по меньшей мере один дополнительный источник когерентного излучения, связанный с блоком управления, и оптоволоконный сумматор, при этом каждый источник когерентного излучения через соответствующие коллиматор и оптоволоконный кабель подсоединен к входу оптоволоконного сумматора, выход которого через коллиматор подсоединен к входу блока модуляции или сканирования,

- в качестве блока модуляции мощности и блока сканирования углового положения пучка использован один двухкомпонентный акустооптический дефлектор (ХУ-АОД), в котором частота управляющего сигнала на Х (У) дефлекторе определяет положение дифрагированного пучка по Х (У) координате, а амплитуда управляющего сигнала на Х (У) дефлекторе, определяет интенсивность дифрагированного пучка, при этом выходы блока управления соединены с соответствующими входами Х (У) дефлекторов в ХУ-АОД,

- после ХУ-АОД по ходу пучка установлены два зеркальных отражателя с соответствующими блоками поворота, при этом повороты зеркальных отражателей синхронизированы с работой ХУ-АОД так, что поворот одного из зеркальных отражателей происходит в момент окончания работы АОД, начало последующей работы АОД совпадает с окончанием поворота, при этом управляющие входы блоков поворота соединены с соответствующими выходами блока управления,

- в качестве блока сканирования угловым положением пучка использовано средство, состоящее из вращающейся призмы с зеркальными гранями, осуществляющей сканирование пучка по координате X, и колеблющееся зеркало, осуществляющее шаговое сканирование по координате У, при этом частота вращения и количество граней призмы и частота колебаний зеркала рассчитаны так, чтобы за время Т образовать N строк с М пикселей в строке в плоскости экрана, а модуляция мощности пучка осуществляется однокомпонентным АОД, установленным перед блоком модуляции угловым положением пучка, при этом управляющие входы блока управления вращением призмы, колебанием зеркала и амплитудой сигнала на АОД соответственно соединены с выходами блока управления,

- частотный вход АОД используется для дополнительной коррекции положения пучка на экране либо по координате X, либо по координате У,

- в качестве блока модуляции мощности и блока сканирования использована система, состоящая из однокомпонентного Х-АОД, осуществляющего модуляцию мощности пучка и сканирование пучка по координате Х и колеблющегося зеркала, осуществляющего сканирование по координате У, при этом время развертки по координате Х и частота колебаний зеркала рассчитаны так, чтобы за время Т образовать N строк с М пикселей в строке в плоскости экрана, при этом управляющие входы блока управления колебанием зеркала, амплитудой и частотой сигнала на АОД соединены с соответствующими выходами блока управления,

- перед Х-У АОД установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка" вход которого подключен к соответствующему выходу блока управления,

- после блока модуляции углового положения пучка по ходу пучка установлен оптический объектив, согласованный с параметрами сканирующей системы и определяющий линейные размеры сканируемой области,

- три раздельных элемента пикселя выполнены в виде полос соответственно красного, зеленого и синего цветов, которые чередуются тройками друг с другом, причем полосы расположены вертикально, горизонтально или наклонно, а поперечный размер полосы определенного цвета равен диаметру пучка в месте расположения экрана, при этом размер всего пикселя равен утроенному размеру пучка в плоскости экрана,

- полосы выполнены из оптически прозрачного материала, легированного флуоресцентными присадками, а проекционное средство расположено за экраном,

- полосы нанесены на зеркальную поверхность,

- каждый пиксель выполнен в виде трех кружков, при этом каждый кружок в пикселе флуоресцирует после попадания на него пучка соответственно только красным, зеленым или синим цветом, при этом кружки флуоресцирующего вещества сгруппированы так, что центры троек образуют равносторонний треугольник, а тройки регулярно уложены в гексагональную структуру экрана,

- слой флуоресцирующего вещества нанесен отдельными шестигранниками,

- слой флуоресцирующего вещества нанесен на прозрачную поверхность,

- слой флуоресцирующего вещества нанесен на зеркальную поверхность,

- слой флуоресцирующего вещества нанесен на зеркальную поверхность с углублениями под каждый пиксель экрана,

- каждый пиксель выполнен в виде трех кружков, при этом каждый кружок в пикселе флуоресцирует после попадания на него пучка соответственно только красным, зеленым или синим цветом, при этом кружки флуоресцирующего вещества сгруппированы так, что центры троек образуют прямоугольный треугольник, а тройки регулярно уложены так, что образуются линейки по горизонтали и столбцы по вертикали.

Сущность изобретения поясняется чертежами фиг.1-3, на которых изображены различные модификации предложенного устройства.

Устройство работает следующим образом.

Излучение УФ-лазера 1 поступает на вход коллиматора 2, параметры которого выбраны таким образом, чтобы размер пучка на его выходе и его расходимость соответствовали требованиям к входному пучку со стороны блока модуляции 3 и блока сканирования 4, осуществляющего изменение углового положения лазерного луча 4. Коллимированный пучок поступает на оптический вход блока модуляции мощности 3 и блок сканирования 4, на управляющие входы которых поступают сигналы управления из блока управления 7. Отклоненный на заданный угол пучок с яркостью, соответствующей этому углу, поступает на вход проекционного средства 5, которое согласует поперечный размер пучка с размером дискретного одноцветного элемента экрана. За время визуализации кадра пучок подсвечивает 3М3N дискретных элементов, где обозначено - М, N - число пикселей в изображении по горизонтали и вертикали. По сигналу блока управления 7 блок модуляции мощности 3 изменяет яркость пучка, освещающего дискретные элементы пикселя, и создает заданный цвет пикселя нужной яркости. Так создается изображение кадра, которое изменяется блоком управления 7 несколько десятков раз в секунду, создавая при этом цветное динамическое изображение. В случае работы ультрафиолетового лазер 1 в импульсном режиме в устройстве предусмотрена дополнительная связь между лазером и блоком управления 7, при этом либо синхронизируется работа блока модуляции 3 и блока сканирования 4 от лазерного источника, либо наоборот.

Для удобства компоновки проекционной части устройства лазер 1 может быть соединен с блоками модуляции 3 и сканирования 4 через волоконный кабель 9₁ (фиг.2). Для этого выход УФ-лазера 1 через коллиматор 2₁ оптически подключен к входу волоконного кабеля 9₁, а выход последнего через второй коллиматор 2 оптически подключен к входу блока модуляции 3.

Для увеличения выходной мощности в устройстве возможно использование нескольких лазеров и волоконного сумматора 8 (фиг.3). В этом случае выход каждого отдельного лазера 1n через свой коллиматор 2n и отрезок световода волоконного кабеля 9n подключен к соответствующему входу волоконного сумматора 8, выход которого оптически соединен с магистральным одножильным волоконным кабелем 9 и через коллиматор 2 - с блоком модуляции 3.

Блок модуляции мощности 3 и блок сканирования 4 могут быть выполнены в виде одного двухкомпонентного акустооптического дефлектора (X, У-АОД), работающего в УФ-диапазоне. При этом первый по ходу луча Х-АОД или У-АОД является одновременно и модулятором яркости пучка. Для этого в сигнале управления первого по ходу луча АОД изменяют не только его частоту, но и амплитуду управляющего сигнала.

Для расширения угла сканирования (увеличения площади экрана) в устройстве предусмотрена установка после АОД дополнительных средств сканирования в виде двух поворотных зеркал с блоками их поворота (не показаны), которые связаны с управляющими выходами блока управления. Блок управления синхронизирует работу двухкомпонентного АОД с работой блоков поворота зеркал таким образом, что поворот каждого зеркала начинается после завершения работы АОД, а начало работы АОД совпадает с моментом окончания работы блока поворота одного из зеркал. В этом случае экран разбит на зоны. Внутри зоны изображение создается с помощью двухкомпонентного АОД, переключение на новую зону происходит с помощью поворотных зеркал. То есть вначале создается пиксельное изображение в диапазоне работы АОД, а затем после поворота зеркальных отражателей создается новая часть пиксельного изображение в диапазоне работы АОД и так далее, до момента создания полного изображения на экране. Управляющие обмотки двигателей блоков поворота зеркал подсоединены к выходам блока управления, а модуляция яркости пучка производится АОД одновременно с отклонением пучка.

Блок модуляции 3 и блок сканирования 4 могут представлять собой комбинацию однокомпонентного АОД с механически вращающейся многогранной зеркальной призмой и зеркалом (не показаны), снабженным блоком поворота. Развертка лазерного пучка происходит по одной координате Х (У) и вращающейся зеркальной призмой, а по другой У (X) - поворотом зеркала. Модуляция мощности пучка 3 производится однокомпонентным АОД при подаче на его вход из блока управления 7 сигнала с изменяющейся амплитудой. В устройстве возможна коррекция положения пучка по координате Х (У) при подаче на его вход из блока управления сигнала с изменяющейся амплитудой и частотой. Возможна и другая комбинация однокомпонентного АОД с зеркалом, снабженным блоком поворота. Развертка лазерного пучка происходит по одной координате Х (У) однокомпонентным АОД, а по другой У (X) - поворотом зеркала. Модуляция яркости пучка производится однокомпонентным АОД при подаче на его вход из блока управления сигнала с изменяющейся амплитудой. Для эффективной работы Х-У АОД перед его оптическим входом установлен компенсатор деполяризации лазерного пучка (ДП) (не показан) соединенный по каналу управления с блоком управления.

Проекционное средство 5 содержит объектив, позволяющий сформировать пучок без искажений во всем диапазоне отклонения пучка, при этом размер поперечного сечения пучка не превосходит размер дискретного элемента экрана. Для этого апертура объектива, его фокусное расстояние и параметры оптических поверхностей согласованы с параметрами лазерного пучка.

В устройстве могут использоваться различные варианты построения экрана и форм флуоресцирующих элементов (ретрансляторов), соответствующих источнику когерентного излучения УФ-диапазона.

По одному варианту экран 6 может быть составлен из полос, изготовленных из оптически прозрачного материала, легированного флуоресцирующими присадками, которые расположены или вертикально, или наклонно, или горизонтально так, что полосы красного, зеленого, синего цветов чередуются тройками друг за другом, при этом поперечный размер полосы равен диаметру пучка проектора в месте расположения экрана, а максимальный размер трех полос не превосходит линейную величину, разрешаемую глазом, при этом проектор расположен позади экрана. Полосы могут представлять собой канавки, заполненные флуоресцирующим материалом, которые расположены или вертикально, или наклонно, или горизонтально так, что канавки красного, зеленого, синего цветов чередуются тройками друг за другом, при этом поперечный размер канавки равен размеру пучка проектора в месте расположения экрана, а максимальный размер трех канавок не превосходит линейную величину, разрешаемую глазом, при этом проектор может быть расположен как спереди, так и позади экрана.

В другом варианте устройства экран 6 может быть изготовлен из плотно упакованных шестигранных ретрансляторов, заполненных флуоресцирующим материалом, красного, зеленого, синего цветов так, что ретрансляторы красного, зеленого, синего цветов находятся вплотную друг к другу, соприкасаясь гранями шестигранника, сходящимися к одной вершине.

Возможна и круглая форма ретрансляторов, которые тройками (красного, зеленого и голубого цветов) плотно заполняют всю поверхность подложки так, что центры троек образуют либо равносторонний, либо прямоугольный треугольник. В первом случае кружки образуют гексагональную структуру, во втором случае - столбцы по вертикали и линейки по горизонтали экрана 6.

Подложка каждого элемента экрана может быть либо зеркальной, либо прозрачной. В первом случае излучатель расположен сзади экрана относительно зрителей, во втором - со стороны зрителей.

Предложен репродукционный вариант построения устройства. В этом случае первый экран делается с флуоресцирующим покрытием и изображение с него проецируется дополнительной проекционной системой (не показана) на другой экран.

Блок управления 7 включает компьютер с быстродействующими интерфейсами. В блоке управления предложенного устройства, как и в его прототипе, исходным материалом является компьютерный файл с графической информацией, отображаемой на дисплее управляющего системой компьютера в виде цветного пиксельного графического изображения, состоящего из N элементов. Каждому элементу изображения на поверхности экрана компьютера программным путем приписываются двумерные координаты и функция цвета в пространстве изображения, исходя из соотношения трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и голубого (В).

В основе работы изобретения лежит разложение компьютерным способом исходного многоцветного компьютерного изображения на три одноцветных компьютерных R-, G-, В-изображений. Соответственно формируются три отдельных взаимосвязанных компьютерных файла, содержащих информацию о двухмерных координатах и оттенках цвета всех отдельных элементов, составляющих каждое цветное изображение.

Информация о структуре изображения каждого подобного компьютерного файла в блоке управления 7 преобразуется в соответствующие управляющие электрические сигналы, направляемые через соответствующие адаптеры на драйверы устройств, управляющих параметрами лазерного пучка. Изобретение позволяет устанавливать формат кадра исходного компьютерного изображения со следующими параметрами:

Smax - максимальное число пикселей в строке в установленном формате кадра;

Мmax - максимальное число пикселей в столбце с учетом размера воспроизводимого лазерного изображения.

Изобретение имеет следующие преимущества по сравнению с известным уровнем техники:

- используется простая оптическая система, согласующая только апертурные углы лазерных пучков с линейными размерами дискретного элемента экрана. При этом не требуется для образования цветного пикселя применять средство для сведения лазерных пучков трех различных цветов в одну точку на поверхности экрана;

- применен новый тип экрана с повышенной светимостью, представляющий собой произвольную поверхность, составленную из дискретных элементов той или иной формы, полностью заполняющих поверхность экрана и флуоресцирующих под действием падающего на экран излучения. Дискретные элементы объединены в тройки, в которых каждый из элементов преобразует падающее ультрафиолетовое излучение в излучение красного, зеленого и голубого цветов соответственно. Размер каждого элемента в тройке не превосходит размер падающего пучка, а максимальный размер тройки элементов не превосходит линейный размер, разрешаемый глазом;

- экран может представлять собой средство, работающее напросвет, в этом случае лазер помещается за экраном;

- устройство позволяет увеличить площадь экрана, так как вводится дополнительное сканирующее зеркало. В этом случае снимается ограничение, накладываемое техническими характеристиками АОД на величину угла пространственной модуляции. При создании изображения на таком экране вначале строится с помощью АОД часть кадра изображения. Весь кадр изображения строится при помощи нескольких поворотов дополнительного зеркала. Работа АОД синхронизована с работой поворотного зеркала блоком управления А

- для получения цветного изображения применен один лазер вместо трех;

- применен один модулятор мощности и пространственного положения пучка вместо трех;

- отсутствие средства сведения и формирования пучков.

Устройство может найти широкое применение в шоу-бизнесе, телевидении, рекламе.