激光演示技术

自60年代初激光问世以来,激光技术发展飞速，应用广泛。激光演示就是激光技术在游乐、娱乐和大屏幕显示领域的新发展。它是集激光, 精密光机, 光电控制、图象处理和多媒体等高新技术于一体的一种新型的光电显示形式。
　　激光演示诞生于七十年代初, 早在1979年我国国庆30典晚会上，采用激光进行天幕投射，那闪烁的光束，梦幻般的造型，绚丽的色彩图案，为节日增添了热烈气氛，给人留下了难忘的印像。在美国佐治亚洲石头山公园1000英尺高的石壁上，激光演示动画和空间光束效果, 同时配以激昂的音乐，取得了神奇的效果。但是真正突破性的发展是zui近几年的事。美国西雅图的Lightspeed公司策划和设计了1998年在葡萄牙首都里斯本举行的世界出口展览会上的大型激光表演, 耗资数百万美元, 在国内，深圳镭幻激光公司为海南热带海洋世界设计和建造的大型激光水幕多媒体系统是迄今为此大的激光多媒体演示系统工程。
　　激光演示也就是人们常说的Lasershow。 zui初的激光演示仅只能表演激光光束效果, 光干涉效应(Lumia)和简单的激光“莉莎”(Lissajous)图形。随着激光技术, 高速扫描元件, 色彩合成和控制技术, 特别是激光演示软件的快速发展, 今天的激光演示已不再是Lasershow所涵盖的内容, 它不仅能表演特殊的激光光束效果, 还演示复杂的激光动画和三维图文。目前主要应用于游乐业, 娱乐业和广告领域。
　　激光演示有如下几个特点: (1) 它是一种投射式成像方式, 能够实现超大屏幕的显示; (2) 色彩鲜艳纯正, 具有高的对比度(100:1); (3) 能够产生特殊的空间光束效果和光束干涉效应; (4) 激光效应和图形信号*数字化, 由电脑直接编程; (5) 它是一种“光笔”书写的矢量化的图形模式。

　　一、激光演示技术
　　 激光演示系统主要由激光器、颜色混合和调制元件, 激光扫描投影器和电脑控制器以及多媒体部件组成。在电脑的控制下，激光光束经过色彩合成调制器、激光扫描仪投射在空间或屏幕上，向人们演示各种特殊的空间光束效果、出色的静、动、三维立体图文画面。表演的节目和图文画面*按照用户的要求，由电脑软件事先或即时设计。
　　 1.激光器
　　 激光器是激光演示系统的关键部件。所使用的激光器取决于应用场所的大小、环境亮度、演示的颜色效果。它可以分为低功率(<1 W)和高功率（1～30W）；单色（红色或蓝、绿）和彩色(红,绿,蓝色)。目前的低功率激光器有红光氦-氖激光器(功率<50 mW), 空气冷却的氩离子(蓝,绿光)或氩-氪气体彩色激光器(功率: <1W), 对于高功率系统, 通常使用水冷的氩离子(蓝,绿)激光(功率: 3.5 -30W)和氩-氪气体彩色激光器(功率: 3.5 - 20W)。近年来也有人将高重复频率工作的铜蒸汽(黄,绿光)用于激光光束表演。
　　 随着激光技术的发展, 二极管泵浦的固体激光器是激光演示领域的新宠儿[2]。它通过非线性光学技术(倍频、和频等)产生红, 绿, 蓝色激光。与气体激光器比较, 全固体激光器的特点是: 结构紧凑, 功耗低, 效率高, 不需要水冷, 采用220伏供电。目前连续波绿光全固体激光器已商品化（如图3所示）, 如固体微片激光器(功率: <100mW)和高功率全固体倍频激光器(功率: <10W)。但是, 要实现高功率连续波的蓝色和红色全固体激光器件的产品化还需要一段时间。另外, 低功率而廉价的红光二极管激光器已开始用于简单的激光艺术演示领域。
　　2.激光扫描
　　 激光扫描器由X-Y光学扫描头, 电子驱动放大器和光学反射镜片组成。电脑控制器提供的信号通过驱动放大电路驱动光学扫描头, 从而在X-Y平面控制激光束的偏转。这类似于阴极射线管中对电子束的偏转, 所不同的是: 光子不是带电粒子, 它不能象电子束那样通过磁场或电场控制。因此, 通常用于激光艺术演示的光学扫描头是一种检流计式的扫描头[3][4]。 检流计式扫描头分为开环和闭环两种。前者常用于简单的激光光束演示, 而后者广泛用于激光图形演示。该种扫描头的特点是偏转角度大, zui大可达80度, 但是与其他类型的光学偏转系统(如多棱转镜, 声光偏转器)比较, 由于折返和加速时间限制了它的扫描频率。在激光演示系统中, 光学扫描的波形是一种矢量扫描, 系统的扫描速度, 决定激光图形的稳定性。zui近几年来, 人们已经开发出高速的扫描器, 扫描速度达到50000个点/秒[5], 因此能够演示复杂的激光动画。 
　　 激光扫描仪有不同的种类，光学平台式：将投影仪, 激光器和其它的光电元部件集成在一光学平台上; 分离式：用光纤光缆传输，安装灵活机动；开环式：用于空间光束效果；闭环式：演示复杂的空间光束效果和图文动画。
　　3. 激光色彩控制器
　　 激光色彩控制器用于控制彩色激光的颜色。在激光演示系统中, 简单的色彩控制采用所谓的“色合”, 它实际上是一种滤色片[6]。 三种滤色片分别对红,绿,蓝三种颜色过滤, 通过组合这三个滤色片, 可产生7种不同的颜色。这种色彩控制器只能对每一幅图形显示单一种色彩。另外一种控制方式是使用三个声光调制器, 分别对三种不同颜色的光束进行调制, 这就是所谓的RGB方法。的激光色彩控制器是多色声光调制器(PCAOM)[2][5], 能够同时控制8种不同的激光波长, 显示上百万种颜色。它象RGB控制器一样, 能在一幅图形内显示不同的颜色。它的优越性在于仅需要一个调制器, 安装简单, 有较高的光通量。
　　4.激光电脑控制器
　　激光电脑控制器是激光演示系统的中心单元, 用于控制激光扫描器, 色彩合成器，激光器以及其它的周边设备。除开控制作用外, 另一个重要的功能是设计和编排激光演示节目。zui简单的控制器是采用EPROM芯片储存激光演示内容, 多用于激光光束表演。的电脑控制器是采用工控机式的多功能系统, 它具有四个独立的X-Y图形输出通道, 可同时控制4个独立的光学扫描投影器, 分别演示内容*不同的激光节目, 通过分光器或光缆可控制任意多个扫描投影器。该种控制用具有强大的编程功能, 能编排二维和三维激光动画。
　　型的激光演示系统不仅能控制激光扫描器, 色彩合成调制器, 还具有如下的功能：
　　(1) 通过RS232接口控制激光器的功率, 在激光工作参数(电流, 电压, 水流, 水温等)不正常时, 自动封闭激光系统。(2) 四种工作模式: “自动光盘演示”：将电脑编程的激光表演节目(光束效果和激光动画)软件写进光盘, 系统会自动演示储存在数字光盘上的激光表演节目。“动态书写”: 通过电脑键盘即时输进文字, 将它储存在音乐琴健上, 这种方式输进的文本与激光演示节目结合在一起随时进行表演。“交互控制”: 通过MIDI接口将激光效果和图形储存在音乐琴键上, 操纵者为所欲为地弹奏就可控制激光表演。“音乐声控表演”: 激光表演与播放的音乐同步[5], 即由音乐的重音控制激光表演。(3) 激光演示多媒体系统: 新型的激光电脑装有多个标准接口: SMPTE, DMX, SCSI, MIDI等。它不仅可以控制激光演示系统, 还能控制其周边设备, 如灯光/音响, 水幕/喷泉, 幻灯投影, 视频播放和电影机, 声乐装置, 烟机/风机, 屏幕/帷幕等。利用激光电脑的时钟系统, 可定时开关, 并组合其控制功能, 编排激光多媒体系统的演示运行时序。(4) 系统网络控制: 安装MODEM, 通过通讯网络, 激光演示中心的激光电脑工作站可以对外地的激光演示系统的工作状态远程监控, 故障诊断, 激光演示软件传递。
　　zui近几年激光演示软件技术获得了长足的发展。尽管电脑图形软件日新月异, 但是遗憾的是这些软件（如CAD）不能用于激光演示[6]。其原因是: 光束不能象显像管中的电子束那样快速扫描和控制。 另外, 激光在屏幕上的扫描成像点不能象在显像管的荧光屏上那样产生余辉, 而会即时消失，这就要求采用新的电脑算法设计激光演示软件。目前, 激光图形的输进主要采用如下几种方式：(1) 图形数字板；(2) 电脑直接编程；(3) 用一般的图形扫描仪将图形输进电脑, 由Corel Draw进行加工处理, 并将其转换成激光矢量化图形格式。

　　二、激光演示技术的应用
　　激光演示几乎不受场地的限制，在大型游乐场所, 如湖上水幕, 广场喷泉, 城市街头的高大建筑，自然游览景区的峭壁悬崖，平坡坦岭，大型瀑布, 均是激光投射的良好载体，甚至在特殊的天气条件下, 如雨、雾、空气中的湿润成份, 更使激光演示产生神奇的视觉效果. 目前, 国内已有多处使用大型激光演示系统, 如深圳地王大厦的“激光地标系统”, 深圳“世界之窗”和“民俗文化村”的激光舞台系统。作为一种新型的信息传播媒体, 激光广告已开始在国外很多公共场所, 大型展览会馆使用, 激光广告色彩艳丽, 字画清楚, 远远可见，可随时更新广告内容。通过MODEM与电脑网络相连接, 可及时发布信息, 配合出色的空间光束, 更能增加广告的宣传效果。
　　激光演示具有不同的的表现形式：激光水幕，激光音乐喷泉，激光迷宫， 激光舞台艺术，激光迪斯科乐园。它广泛应用于游乐园，室外广场，城市高大建筑，城市夜空装点，都市激光水幕电影，激光音乐喷泉，激光迷宫，激光迪斯科乐园，歌舞厅，夜总会，酒店，电视台演播厅，戏院，电影院，大型购物中心，天文馆，运动场馆节日晚会，城市和企业庆典，运动会开、闭幕式，灯会，模特表演会，大屏幕激光广告，企业形象宣传，展厅布置，产品展示。

　　三、激光演示技术的发展
　　 随着应用领域和市场的不断发展, 新型激光演示系统性能可靠, 操纵简单, 维护方便, 编程简单易学, 多媒体功能, 配置灵活。特别是随着激光技术的快速发展，新型的全固体激光器已经开始代替气体激光器, 成为激光演示系统的新型光源。与传统的气体激光器相比较，全固体激光器效率高，结构紧凑，性能稳定可靠，寿命长，光束质量好，能耗低，空气冷却。德国SCHNEIDER和JENOPTIK公司已经研制出高功率（10瓦）全固体彩色激光器（如图5），并已经应用于激光演示系统。深圳镭幻激光公司在国内开发出高功率全固体绿光激光表演系统，该系统绿光激光功率20瓦，色彩鲜艳，结构紧凑，已经在山东曲阜游乐园和深圳美丽中华成功安装使用，演示效果良好。
　　在系统技术方面，要实现高质量的图像, 必须研究快速扫描装置。声光偏转装置能实现高速扫描, 但是目前它的偏转角度小, 还不能满足要求。zui近几年，高速振镜扫描系统发展迅速，目前zui高扫描速度已经达到50000点/秒。在激光电脑控制器方面, 采用的DSP技术, 能够实现多功能控制和复杂图形效果的编程。在激光显示图形的天生和处理技术方面，人们已经开发出由BMP和3D MAX图象直接转换技术。在国内，深圳镭幻激光公司开发的“新型激光显示系统”，是国内*具有自主知识产权、更贴近中国人使用的激光显示系统，*该领域国内的空缺。该系统采用的光电控制技术和创新的图形汉字输进和处理技术，避免了国外激光演示系统操纵的复杂性和非中文界面等缺点，获得深圳市科技进步奖和被认定为“高新技术项目”，2003年被国家*等五部委认定为“国家重点新产品”。
　　的进一步发展是激光电视，这是人们长期梦寐以求的发展。与电子束显示(CRT)、发光二极管显示（LED）、液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）等显示技术相比，激光显示具有以下优点：（1）采用投射式成像，能实现远间隔超大屏幕的显示；（2）激光束色域宽广，具有高对比度（100：1）和色饱和能力（*）；（3）能够在任意外形的表面显示；（4）激光能产生其他光源无法提供的特殊的空间光束效应和干涉衍射图像；（5）采用矢量扫描方式，特别适合与电脑数字控制系统相结合，充分利用电脑软硬件资源。2000年德国已经研制出实用化的激光投影电视产品，并且用于汉沙公司的飞行模拟和蔡司公司的大型天文馆。2001年，中国已经开始将激光电视技术的研究和开发列进国家863计划项目。相信在不久的将来，激光电视将进进家庭。