激光演示技術(shù)的原理和特點(diǎn)

    激光演示也就是人們常說的Lasershow。 最初的激光演示僅只能表演激光光束效果, 光干涉效應(yīng)(Lumia)和簡單的激光“莉莎”(Lissajous)圖形。隨著激光技術(shù), 高速掃描元件, 色彩合成和控制技術(shù), 特別是激光演示軟件的快速發(fā)展, 今天的激光演示已不再是Lasershow所涵蓋的內(nèi)容, 它不僅能表演特殊的激光光束效果, 還演示復(fù)雜的激光動(dòng)畫和三維圖文。目前主要應(yīng)用于游樂業(yè), 娛樂業(yè)和廣領(lǐng)域。

  
    激光演示有如下幾個(gè)特點(diǎn):  

    (1)它是一種投射式成像方式, 能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)生特殊的空間光束效果和光束干涉效應(yīng);  
    (4)激光效應(yīng)和圖形信號(hào)完全數(shù)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。  

    激光演示系統(tǒng)主要由激光器、顏色混合和調(diào)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(jīng)過色彩合成調(diào)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、精彩的靜、動(dòng)、三維立體圖文畫面。表演的節(jié)目和圖文畫面完全按照用戶的要求，由電腦軟件事先或即時(shí)設(shè)計(jì)。  

1.激光器  

    激光器是激光演示系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。所使用的激光器取決于應(yīng)用場所的大小、環(huán)境亮度、演示的顏色效果。它可以分為低功率(<1W)和高功率（1～30W）；單色（紅色或藍(lán)、綠）和彩色(紅,綠,藍(lán)色)。目前的低功率激光器有紅光氦-氖激光器(功率<50mW), 空氣冷卻的氬離子(藍(lán),綠光)或氬-氪氣體彩色激光器(功率: <1W), 對于高功率系統(tǒng), 通常使用水冷的氬離子(藍(lán),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(fù)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(shù)的發(fā)展, 二極管泵浦的固體激光器是激光演示領(lǐng)域的新寵兒。它通過非線性光學(xué)技術(shù)(倍頻、和頻等)產(chǎn)生紅, 綠, 藍(lán)色激光。與氣體激光器比較, 全固體激光器的特點(diǎn)是: 結(jié)構(gòu)緊湊, 功耗低, 效率高, 不需要水冷, 采用220伏供電。目前連續(xù)波綠光全固體激光器已商品化, 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(shí)現(xiàn)高功率連續(xù)波的藍(lán)色和紅色全固體激光器件的產(chǎn)品化還需要一段時(shí)間。另外, 低功率而廉價(jià)的紅光二極管激光器已開始用于簡單的激光藝術(shù)演示領(lǐng)域。  

2.激光掃描  

    激光掃描器由X-Y光學(xué)掃描頭, 電子驅(qū)動(dòng)放大器和光學(xué)反射鏡片組成。電腦控制器提供的信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)放大電路驅(qū)動(dòng)光學(xué)掃描頭, 從而在X-Y平面控制激光束的偏轉(zhuǎn)。這類似于陰極射線管中對電子束的偏轉(zhuǎn), 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(shù)演示的光學(xué)掃描頭是一種檢流計(jì)式的掃描頭。檢流計(jì)式掃描頭分為開環(huán)和閉環(huán)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(diǎn)是偏轉(zhuǎn)角度大, 最大可達(dá)80度, 但是與其他類型的光學(xué)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(如多棱轉(zhuǎn)鏡, 聲光偏轉(zhuǎn)器)比較, 由于折返和加速時(shí)間限制了它的掃描頻率。在激光演示系統(tǒng)中, 光學(xué)掃描的波形是一種矢量掃描, 系統(tǒng)的掃描速度, 決定激光圖形的穩(wěn)定性。最近幾年來, 人們已經(jīng)開發(fā)出高速的掃描器, 掃描速度達(dá)到50000個(gè)點(diǎn)/秒, 因此能夠演示復(fù)雜的激光動(dòng)畫。激光掃描儀有不同的種類，光學(xué)平臺(tái)式：將投影儀, 激光器和其它的光電元部件集成在一光學(xué)平臺(tái)上; 分離式：用光纖光纜傳輸，安裝靈活機(jī)動(dòng)；開環(huán)式：用于空間光束效果；閉環(huán)式：演示復(fù)雜的空間光束效果和圖文動(dòng)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(tǒng)中, 簡單的色彩控制采用所謂的“色合”, 它實(shí)際上是一種濾色片。 三種濾色片分別對紅,綠,藍(lán)三種顏色過濾, 通過組合這三個(gè)濾色片, 可產(chǎn)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(gè)聲光調(diào)制器, 分別對三種不同顏色的光束進(jìn)行調(diào)制, 這就是所謂的RGB方法。最新的激光色彩控制器是多色聲光調(diào)制器(PCAOM), 能夠同時(shí)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(nèi)顯示不同的顏色。它的優(yōu)越性在于僅需要一個(gè)調(diào)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(tǒng)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(shè)備。除開控制作用外, 另一個(gè)重要的功能是設(shè)計(jì)和編排激光演示節(jié)目。最簡單的控制器是采用EPROM芯片儲(chǔ)存激光演示內(nèi)容, 多用于激光光束表演。最新的電腦控制器是采用工控機(jī)式的多功能系統(tǒng), 它具有四個(gè)獨(dú)立的X-Y圖形輸出通道, 可同時(shí)控制4個(gè)獨(dú)立的光學(xué)掃描投影器, 分別演示內(nèi)容完全不同的激光節(jié)目, 通過分光器或光纜可控制任意多個(gè)掃描投影器。該種控制器具有強(qiáng)大的編程功能, 能編排二維和三維激光動(dòng)畫。  

    最新型的激光演示系統(tǒng)不僅能控制激光掃描器, 色彩合成調(diào)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(shù)(電流, 電壓, 水流, 水溫等)不正常時(shí), 自動(dòng)關(guān)閉激光系統(tǒng)。  

    (2) 四種工作模式: “自動(dòng)光盤演示”：將電腦編程的激光表演節(jié)目(光束效果和激光動(dòng)畫)軟件寫入光盤, 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)演示儲(chǔ)存在數(shù)字光盤上的激光表演節(jié)目?！皠?dòng)態(tài)書寫”: 通過電腦鍵盤即時(shí)輸入文字, 將它儲(chǔ)存在音樂琴健上, 這種方式輸入的文本與激光演示節(jié)目結(jié)合在一起隨時(shí)進(jìn)行表演。“交互控制”: 通過MIDI接口將激光效果和圖形儲(chǔ)存在音樂琴鍵上, 操作者隨心所欲地彈奏就可控制激光表演?！耙魳仿暱乇硌荨? 激光表演與播放的音樂同步, 即由音樂的重音控制激光表演。  

    (3) 激光演示多媒體系統(tǒng): 新型的激光電腦裝有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口: SMPTE, DMX, SCSI, MIDI等。它不僅可以控制激光演示系統(tǒng), 還能控制其周邊設(shè)備, 如燈光/音響, 水幕/噴泉, 幻燈投影, 視頻播放和電影機(jī), 聲樂裝置, 煙機(jī)/風(fēng)機(jī), 屏幕/帷幕等。利用激光電腦的時(shí)鐘系統(tǒng), 可定時(shí)開關(guān), 并組合其控制功能, 編排激光多媒體系統(tǒng)的演示運(yùn)行時(shí)序。  

    (4) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制: 安裝MODEM, 通過通訊網(wǎng)絡(luò), 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(tǒng)的工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控, 故障診斷, 激光演示軟件傳遞。最近幾年激光演示軟件技術(shù)獲得了長足的發(fā)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。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(diǎn)不能象在顯像管的熒光屏上那樣產(chǎn)生余輝, 而會(huì)即時(shí)消失，這就要求采用新的電腦算法設(shè)計(jì)激光演示軟件。目前, 激光圖形的輸入主要采用如下幾種方式：(1) 圖形數(shù)字板；(2) 電腦直接編程；(3) 用一般的圖形掃描儀將圖形輸入電腦, 由Corel Draw進(jìn)行加工處理, 并將其轉(zhuǎn)換成激光矢量化圖形格式。