US3786366A | 1974-01-15 | |||
RU2162616C2 | 2001-01-27 | |||
US20040085436A1 | 2004-05-06 | |||
US5475527A | 1995-12-12 |
5 Формула изобретения 1. Способ проецирования изображения с лазерным усилением яркости, в котором проецируемый объект освещают сверхизлучением лазерной среды, возвращают излучение с изображением объекта в лазерную среду и усиливают в ней, после чего проецируют на поверхность экрана, отличающийся тем, что излучение с изображением Э объекта, усиленное в лазерной среде, усиливают, по крайней мере, еще в одной дополнительной лазерной среде, при этом времена включения каждой из дополнительных лазерных сред синхронизируют со временем входа излучения несущего изображение объекта в соответствующую среду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изображение проецируемого объекта 5 формируют внутри каждой лазерной среды, последнее из которых проецируют на поверхность экрана. 3. Способ по п.1 или п.2, отличающийся тем, что изображение проецируемого объекта внутри каждой лазерной среды формируют в масштабе один к одному. 4. Устройство проецирования изображений с лазерным усилением яркости, D содержащее лазерный активный элемент с системой накачки, с одной стороны которого расположены проецируемый объект и фокусирующая оптическая система, а с другой стороны проекционный объектив, отличающееся тем, что между лазерным активным элементом и проекционным объективом дополнительно установлен, по крайней мере, один лазерный активный элемент с системой накачки, кроме того дополнительно введен 5 блок синхронизации времени возбуждения лазерных активных элементов, соединенный с системами их накачки. 5. Устройство по п.4 отличающееся тем, что перед каждым дополнительным лазерный активным элементом установлен объектив, сопряженные плоскости которого совмещены с плоскостями изображений проецируемого объекта. 0 6. Устройство по п.4 или п.5, отличающееся тем, что фокусирующая оптическая система расположена на своем двойном фокусном расстоянии от проецируемого объекта, а дополнительные объективы на своих двойных фокусных расстояниях от соответствующих плоскостей изображения проецируемого объекта. |
Способ и устройство проецирования изображения с лазерным
усилением яркости
Изобретение относится к лазерной технике, в частности к способам и устройствам проецирования изображения с лазерным усилением яркости, и может быть использовано О для проецирования изображения высокой яркости на удаленных поверхностях большой площади, а также для проекционной лазерной маркировки и обработки материалов.
Известен усилитель изображения для лазерных систем [1], который содержит лазерный излучатель света и усилитель оптического излучения на парах бромида меди. Между лазером и усилителем расположен формирователь изображения, выполненный в 5 виде жидкокристаллической матрицы, работающей на просвет, или в виде матрицы микро-зеркал, работающих на отражение, который модулирует излучение лазера, проходящее через формирователь изображения и направляемое в усилитель, а далее в оптическую систему для фокусировки изображения или его части на поверхности объекта. Усилитель изображения на порядки усиливает яркость изображения от лазерного 0 излучателя света, прошедшего через формирователь изображения, что в совокупности с оптической системой фокусировки изображения позволяет выполнять фотолитографию печатных плат и интегральных схем без использования фотошаблонов. Недостатком аналога является большая лучевая нагрузка на формирователь изображения, что ограничивает мощность выходного излучения лазерной системы, при которой 5 формирователь изображения может устойчиво и долговечно работать.
Известен лазерный проектор с оптическим резонатором [2], который содержит лазер, газовый гелий-неоновый лазер непрерывного действия с системой накачки, резонатор лазера, выполненный виде двух сферических зеркал и фокусирующей линзы или дополнительного фокусирующего зеркала. Со стороны одного зеркала резонатора 0 располагается отображаемый объект или формирователь изображение, выполненный в виде матрицы жидких кристаллов или электрооптических ячеек Керра. Другое зеркало выполнено полупрозрачным, на выходе которого установлена оптическая система проецирования или наблюдения изображения. Изображение в проекторе образуется за счет достижения пороговых условий генерации лазера на открытых участках 5 отображаемого объекта, что позволяет усилить отраженное излучение от формирователя изображения при небольшой лучевой нагрузке на формирователь изображения. Недостатками аналога являются "модовый" характер изображения, сложность юстировки зеркал и, как следствие, нечеткость изображения.
Известен лазерный проектор с усилением яркости изображения [3], выбранный в качестве прототипа. Проектор содержит лазерную среду с большим коэффициентом усиления, например, на парах металлов, работающей в режиме «сверхизлучения». Термин введен в прототипе и фиксирует наличие собственного лазерного излучения среды без зеркал резонатора. В прототипе, с одной стороны лазерной среды расположен проецируемый объект и оптическая система фокусировки сверхизлучения на носитель изображения (проецируемый объект), а с другой стороны расположен проекционный объектив. Способ формирования изображения в данном лазерном проекторе заключается в том, что сверхизлучение лазерной среды освещает объект через фокусирующую оптическую систему, которая также служит для направления отраженного сверхизлучения от проецируемого объекта и возвращения его в лазерную среду, где оно усиливается за один обратный проход через лазерную среду. Оптическая система формирует изображение объекта, которое занимает все поперечное сечение выходного торца лазерной среды для наиболее эффективного использования объема лазерной среды. Проекционный объектив на выходе лазера проецирует усиленное изображение объекта с увеличением или уменьшением его размера. Использование лазера на парах металла позволяет многократно повысить яркость изображения, что можно использовать для проекционной микроскопии или лазерной маркировки.. К недостаткам прототипа относится усиление отраженного от объекта излучения лазерной средой только за один проход, что ограничивает мощность выходного излучения мощностью лазерного активного элемента. Кроме того, сверхизлучение лазерной среды, выходящее в сторону проекционного объектива, вызывает фоновую засветку выходного изображения, тем самым снижая его контраст.
Задачей технического решения является повышение яркости и контрастности проецируемого изображения при малой лучевой нагрузке на проецируемый объект.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе проецирования изображения с лазерным усилением яркости, в котором проецируемый объект освещают сверхизлучением лазерной среды, возвращают отраженное излучение с изображением объекта обратно в лазерную среду и усиливают в ней, после чего проецируют на поверхность экрана, предусмотрены следующие отличия, а именно, отраженное излучение с изображением объекта, усиленное в лазерной среде, усиливают, по крайней мере, еще в одной дополнительной лазерной среде, при этом времена включения каждой 5 из дополнительных лазерных сред синхронизируют со временем входа излучения несущего изображение объекта в соответствующую среду.
Кроме этого, в способе проецирования изображения с лазерным усилением яркости предусмотрено следующее отличие, изображение проецируемого объекта формируют внутри каждой лазерной среды, последнее из которых проецируют на поверхность 0 экрана.
Кроме этого в способе предусмотрено следующее отличие, а именно, что изображение проецируемого объекта внутри каждой лазерной среды формируют в масштабе один к одному.
В устройстве проецирования изображений с лазерным усилением яркости, 5 содержащее лазерный активный элемент с системой накачки, с одной стороны которого расположен проецируемый объект и фокусирующая оптическая система, а с другой стороны проекционный объектив, предусмотрены следующие отличия, а именно, между лазерным активным элементом и проекционным объективом дополнительно установлен, по крайней мере, один лазерный активный элемент с системой накачки, кроме того 0 дополнительно введен блок синхронизации времени включения лазерных активных элементов, соединенный с системами их накачки.
Кроме того перед каждым дополнительным лазерный активным элементом установлен объектив, сопряженные плоскости которого совмещены с плоскостями изображений проецируемого объекта. Кроме того фокусирующая оптическая система 5 расположена на своем двойном фокусном расстоянии от проецируемого объекта, а дополнительные объективы на своих двойных фокусных расстояниях от соответствующих плоскостей изображения проецируемого объекта.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а D именно дополнительные лазерные активные лазерные элементы позволяют многократно усилить яркость проецируемого изображения, а синхронизация времени возбуждения лазерных активных элементов со временем входа в нее усиливаемого излучения обеспечивает усиление полезного сигнала в большей степени, чем паразитное сверхизлучение, выходящее в сторону проекционного объектива. За счет этого 5 уменьшается фоновая засветка изображения и, соответственно, повышается его контрастность .
Технической решение по сравнению с прототипом обеспечивает значительное повышение мощности выходного излучения и, соответственно, яркости проецируемого 5 изображения, а также повышение его контрастности, при сохранении малой лучевой нагрузки на носитель изображения.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами: фиг Л содержит схему устройства, фиг.2 - распределение интенсивности излучения проекции объекта, представляющего собой структуру из алюминиевых полос О на подложке из стекла, на фиг.З приведен пример проекции изображения на удаленной рассеивающей поверхности.
На фиг.1 изображено устройство проецирования изображения с лазерным усилением яркости, в которое входят:
1 - проецируемый объект;
5 2 - оптическая система фокусировки;
4 - лазерный активный элемент со сверхизлучающей лазерной средой;
7 - дополнительный объектив;
5 - дополнительный лазерный активный элемент;
10 - выходной объектив;
0 13 - проекционный объектив;
17,19 - системы возбуждения активных элементов;
18 - блок синхронизации.
Носителем проецируемого изображения может служить наблюдаемый объект, в том числе в виде просветной маски или диапозитивов. Для получения динамических 5 изображений в качестве проецируемого объекта ранее использовалась подвижная кинопленка, а сейчас электроннооптические формирователи изображения, такие как жидко-кристаллические или микрозеркальные матрицы.
Термин «сверхизлучение» был введен в [3] и характеризует собственное излучение лазерной среды в отсутствие зеркал резонатора. Таким свойством обладают лазерные О среды на самоограниченных переходах - в основном на парах металлов, таких как медь, золото и другие. Предложенное техническое решения относится к системам с такими лазерными средами.
Сверхизлучение активного элемента 4 через оптическую систему фокусировки 2 направляется на проецируемый объект 1. Отраженное от объекта 1 сверхизлучение, через 5 оптическую систему фокусировки 2 направляется обратно в активный элемент 4, где на обратном проходе происходит его усиление. Далее излучение последовательно усиливают в дополнительных лазерных средах 8, количество которых определяется из заданной конечной яркости изображения. 5 На фиг.1 показана одна из таких дополнительных сред 8. Изображение объекта 1, формируемое фокусирующей оптической системой 2 в активном элементе 4, проецируется дополнительным объективом 7 в лазерной среде активного элемента 8. Промежуточное изображение 9 объекта 1 , формируемое дополнительным объективом 7 в лазерной среде 8, проецируется проекционным объективом 13 в виде усиленного D изображения объекта 14. на любых рассеивающих поверхностсях служащих экраном. При этом промежуточные изображения 5 и 9 объекта 1 формируют в центре лазерных активных элементов 4, 8. Таким же образом формируется изображение объекта 1 во всех последующих лазерных средах.
Предлагаемое техническое решение позволяет так же повысить контраст 5 изображения. Это происходит за счет синхронизации времен включения каждой из дополнительных лазерных сред со временем входа изображения объекта в соответствующую среду. Такая синхронизация возможна за счет наличия разности во времени момента попадания в дополнительные среды полезного сигнала, несущего изображение, и излучения сверхизлучения, выходящего в сторону экрана. При 3 предлагаемой синхронизации усиление полезного сигнала происходит в большей степени, чем паразитного сверхизлучения, за счет чего повышается контраст изображения.
Действительно, как следует из фиг.1, сверхизлучение, освещающее объект, формируется при прохождении излучения от торца 6 лазерной среды 4 до ее торца 3, то есть проходит расстояние равное приблизительно длине среды L. Излучение, несущее изображение объекта, формируется при прохождении света от торца 3 до объекта 1 и обратно до торца 6. При этом, оно проходит путь равный приблизительно трем длинам лазерной среды 3L. Таким образом, полезный сигнал (несущий изображение объекта) выходит из лазерной среды 4 с отставанием по времени от паразитного сверхизлучения на время равное прохождению света расстоянию равному двойной длине лазерной сред 2L.
1 При длине лазерных сред около одного метра, это отставание составляет несколько наносекунд, что вполне достаточно для управлением контрастом изображения. В предлагаемом техническом решении вводится управляемая задержка времени включения систем накачки дополнительных лазерных сред относительно первой лазерной среды, поэтому усиление полезного сигнала происходит в большей степени, чем паразитного 5 сверхизлучения, за счет чего повышается контраст изображения. Для достижения этой цели, в устройство для реализации способа, введен блок синхронизации 18 времен включения источников накачки 19, 17 лазерных элементов 4 и 8. Для управления контрастом в схему устройства проецирования, приведенного на фиг.1, дополнительно введен датчик распределения интенсивности излучения 16, который измеряет распределение интенсивности проекции 15 объекта 1 в сопряженной плоскости объектива 10, которое сформировано с помощью свето делительного элемента 1 1.
Фиг.2 содержит результаты измерения яркости проекции изображения стеклянной подложки, на которую нанесены алюминиевые чередующиеся дорожки. Сама пластина имеет низкий коэффициент отражение (4%), а алюминиевые дорожки - высокий (85%). График 21 иллюстрирует распределение интенсивности излучения изображения объекта с использованием одной лазерной среды, график 22 - с использованием дополнительного лазерного усилителя. Результаты измерений сведены в таблицу.
Таблица
Контрастность изображения - это отношение диапазона яркости самого светлого участка изображения и самого темного, к самому светлому. В нашем случае, это яркость алюминиевой дорожки и стеклянной пластины. Введение дополнительной усилительной лазерной среды существенно повышает яркость и контрастность проекции изображения.
На фиг.З приведен пример динамической проекции изображения на удаленной рассеивающей поверхности. В данном примере использовался лазерный видеопроектор с одной дополнительной лазерной средой на парах меди. В качестве проецируемого объекта использовалась динамическая микрозеркальная матрица, расстояние до рассеивающей поверхности составляло около 1 км, размер проекции около 30x40 м. Выходная средняя мощность излучения при полностью «открытой» матрице составила 20 Вт, при частоте импульсов 16 кГц. Такая мощность позволила наблюдать яркое изображение не только в ночное, но и в вечернее время.
Предложенное техническое решение обеспечивает значительное повышение яркости и контрастности проецируемого изображения при сохранении малой лучевой нагрузки на носитель изображения, что позволяет проецировать изображение на 5 удаленные рассеивающие поверхности большой площади. Использование электроннооптического формирователя изображения с управлением от компьютера, видеокамеры, ДВД и других, позволяет получить динамические яркие видеоизображения, а также, при изменении параметров оптики выполнять лазерную проекционную обработку материалов.
О
Источники информации:
1. Патент США 3.293.565 20 декабря 1966. W.A.HARDY «LASER IMAGING EMPLOYING A DEGENERATE OPTIKAL CAVITY».
2. Патент США 7.058.109 B2 06 июня 2006. Peter Eric Davis «Image 5 amplification for laser systems»
3. Патент США US 3786366 (A), 15.01.74 Robert J.L.Chimenti, Paul Rabinowitz «SUPER RADIANT LASER ILLUMINATOR AND IMAGE AMPLIFIER»