УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ РАЗВЕРТКИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПУТЕМ МОДУЛЯЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
MECHANICAL SCANNING DEVICE FOR IMAGE FORMATION USING MOVING LIGHT SOURCES MODULATION

Область техники
Изобретение связано с воспроизведением изображений, в частности с системами, в которых изображение создается движущимися модулируемыми во времени источниками света.
Уровень техники
Большинство имеющихся в настоящее время методов создания изображений используют принцип развертки, при котором изображение создается движущимся объектом, способным излучать свет в определенные моменты времени. Набор таких вспышек в пространстве создает для зрителя впечатление, что он видит реальную картину. Например, такие вспышки имеют место на телевизионном экране. В этом случае вспышки производятся при ударе электронного пучка в люминофор на экране телевизионной трубки.
С развитием технологии изготовления светодиодов (light emitting devices - LED) такие вспышки могут осуществляться путем включения и выключения светодиодов, движущихся по некоторой траектории в пространстве. Такой подход первоначально использовался в игрушках типа Ио-Ио (см. US Pat № 5,791,9666, 1998). Когда объекты, показанные на Фиг.1-3 вращаются, светодиоды могут сформировать заданную картину. Предложено прикреплять набор светодиодов к некоторому движущемуся объекту, например к колесу автомобиля, как показано на Фиг.4-6.
В российской заявке на патент № 99113715 предлагается использовать для формирования изображений красные, голубые и зеленые светодиоды, которые перемещаются по окружностям. При этом может быть сформировано цветное изображение. В настоящее время имеются коммерчески доступные устройства, в которых формируются изображения на сфере, цилиндре и диске.
В настоящее время признано, что светодиоды могут быть размещены на любом движущемся объекте, а современная электроника может сформировать любую необходимую картину. Задача состоит лишь в том, чтобы создать систему, осуществляющую перемещение светодиодов (механическую развертку), которая бы в наибольшей степени отвечала специфике конкретного применения. Возможные области применения подобных систем весьма разнообразны, начиная от динамической рекламы и кончая формированием трехмерных изображений.
Наибольшие трудности при создании механической развертки связаны с необходимостью обеспечить достаточно высокую скорость перемещения светодиодов. Вращающиеся объекты в наибольшей степени подходят для преодоления этих трудностей. Это связано с тем, что методы балансировки вращающихся систем хорошо разработаны. В результате периодические силы, действующие на неподвижное основание со стороны таких объектов, могут быть достаточно малы. Однако применение вращающихся объектов имеет определенные недостатки. Достаточно сложно подводить питание к вращающимся светодиодам. Для этого необходимо использовать скользящие контакты, иначе провода будут перекручиваться. Скорость различных светодиодов, расположенных на разных расстояниях от оси вращения, различна и близка к нулю около оси вращения. Поэтому вращающиеся объекты решают проблему повышения скорости перемещения не для всех светодиодов.
Эти недостатки устраняются при использовании колебательных систем. В этом случае средняя угловая скорость вращения светодиодов равна нулю, что позволяет подводить питание к светодиодам непосредственно по гибким проводам. Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система с механической разверткой, осуществляемой колебательной системой, предложена в патенте США (US Pat. № 5,406,300, 1995). Эту систему предполагается использовать в качестве жезла для регулировки движения транспорта. При совершении регулировщиком колебательных движений водители могут видеть некоторые знаки и слова, соответствующие требованиям регулировщика. В этом случае колебательной системой является рука регулировщика, вернее весь регулировщик. Однако такой системе присущи серьезные недостатки. Во-первых, частота колебаний не превосходит 2-3 Гц. Это не позволяет создать видимость непрерывно святящегося изображения. Во-вторых, добротность такой системы чрезвычайно мала. Колебания сразу прекращаются, как только регулировщик перестает махать рукой. Со стороны колебательной системы на неподвижную базу действуют значительные силы реакции, что затрудняет использование систем, обеспечивающих формирование достаточно больших по размерам изображений. В настоящем изобретении предлагаются устройства для механической развертки, в которых используются высокодобротные колебательные системы, что позволяет значительно увеличить частоту колебаний, уменьшить усилия, необходимые для раскачки системы, и устранить периодические силы реакции системы на неподвижные опоры.
Сущность изобретения
Сущность изобретения состоит в том, что модулируемые по яркости точечные источники света прикреплены к механической колебательной системе в том месте, где амплитуда колебаний близка к максимуму, а неподвижная база шарнирно прикреплена в тех местах колебательной системы, где амплитуда линейных колебаний равна нулю. Шарнирное крепление осуществлено таким образом, что угловые периодические перемещения колебательной системы не передаются неподвижной базе. При этом под механической колебательной системой согласно общепринятому в теории колебаний определению имеется в виду механическая система, которой присущи общие всем колебательным системам свойства, такие как наличие собственных и резонансных частот, типов колебаний, запасенной энергии и т.п. В зависимости от конкретных требований к качеству и размерам формируемого изображения и условий применения предложены различные варианты механических колебательных систем и средств для возбуждения колебаний в них.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 представляет схему известного устройства с вращающимися светодиодами для показа изображения на верхней поверхности диска.
Фиг.2 представляет схему известного устройства типа карусели с вращающимися светодиодами для показа изображения на цилиндрической поверхности.
Фиг.3 представляет схему известного устройства типа пропеллера с вращающимися светодиодами для показа изображения на поверхности круга.
Фиг.4 представляет схему известного устройства типа пропеллера с вращающимися светодиодами, установленными на колесе автомобиля.
Фиг.5 представляет вид сверху на плату известного устройства типа пропеллера.
Фиг.6 показывает типичное изображение, формируемое известным устройством типа пропеллера.
Фиг.7 показывает пример применения известного устройства для формирования изображений для управления движением транспорта, в котором используется колебательная система для перемещения модулируемых по яркости точечных источников света.
Фиг.8 показывает характер изгиба упругого стержня на резонансной частоте, превосходящей основную резонансную частоту.
Фиг.9 показывает схему колебательной системы на основе упругого стержня с прикрепленным к нему штоком.
Фиг.10 показывает схему колебательной системы на основе упругой спиральной пружины с прикрепленным к ней штоком.
Фиг.11 показывает схему колебательной системы, в которой в качестве упругого элемента используется натянутый трос.
Фиг.12 показывает схему колебательной системы, в которой в качестве упругого элемента используется натянутый трос с двумя спиральными пружинами.
Фиг.13 показывает типичную резонансную кривую колебательных систем, показанных на Фиг.11, 12.
Фиг.14 показывает типичные фазовые траектории нелинейных колебательных систем, показанных на Фиг.11, 12.
Фиг.15 показывает схему колебательной системы на основе натянутых тросов, в которой колебания возможны только в одном измерении.
Фиг.16 показывает схему колебательной системы, в которой колебания возможны в двух измерениях.
Фиг.17 показывает схему устройства, которое может быть использовано в качестве средства для возбуждения колебаний в колебательной системе.
Фиг.18 показывает схему вибратора, который может быть использован в качестве средства для возбуждения колебаний в колебательной системе.
Фиг.19 показывает схему параметрического возбуждения колебательной системы на основе натянутых тросов с помощью вибратора.
Фиг.20 показывает схему колебательной системы, в которой колебания упругого стержня вызываются мотором, на который подается периодическая последовательность импульсов напряжения.
Фиг.21 показывает схему колебательной системы, в которой колебания платформы с точечными источниками света вызываются колебаниями упругой пружины, возбуждаемыми вибратором.
Фиг.22 показывает схему колебательной системы, состоящей из четырех одинаковых колебательных систем, в которой осуществлена компенсация внешних сил и допускается перекрытие областей, показываемых каждой колебательной системой
Фиг.23 представляет схему колебательной системы, состоящей из N одинаковых колебательных систем, в которой осуществлена компенсация сил, действующих на внешние опоры.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Любая механическая система для генерации динамических изображений содержит следующие 2 основные компоненты: колебательные средства для движения светодиодов в пространстве и средства для возбуждения колебаний в колебательной системе. Кроме того, любая система для формирования изображений на основе колебательной системы включает в себя некоторую неподвижную базу и средства для модуляции светодиодов, а также средства для подведения энергии к светодиодам. В зависимости от специфики применения в качестве такой базы могут использоваться стены, пол, потолок, столб и другие неподвижные объекты. В качестве средств для модуляции светодиодов могут использоваться различные микроконтроллеры. Однако ни неподвижные базы, ни средства для модуляции светодиодов не являются объектами настоящего изобретения.
В настоящем изобретении предлагаются различные средства для обеспечения колебаний светодиодов. Выбор конкретных средств определяется спецификой применения и зависит от размеров, стоимости, назначения, места работы устройства для формирования изображений. Взаимное расположение светодиодов может быть произвольным, так как это расположение может быть учтено в программе управления включением и выключением светодиодов в микроконтроллере. Однако расположение светодиодов вдоль прямой линии на одинаковом расстоянии друг от друга во многих случаях является предпочтительным. Поэтому, если не указано особо, такое расположение светодиодов подразумевается во всех рассматриваемых ниже устройствах для показа изображений.
Обычно траектория светодиода в колебательной системе представляет собой замкнутую линию, длина которой равна удвоенной амплитуде колебаний. Например, если длина линии равна 1 м, подвижный светодиод эквивалентен по засвечиваемой на изображении площади 200 неподвижным светодиодам диаметром 5 мм. Кроме того, весьма ценным свойством устройства для формирования изображений с помощью колеблющихся светодиодов является прозрачность изображения. Создается впечатление, что изображение висит в воздухе, не имея никаких опор. Это позволяет сформировать несколько изображений, расположенных на разных расстояниях от зрителя, и тем самым получать трехмерные изображения. Это свойство выгодно отличает подобные устройства от устройств, показанных на Фиг.1-6, где используется вращательное движение светодиодов. В этом случае в центре изображения оказывается мотор или, по крайней мере, ось вращения, что значительно портит впечатление о формируемом изображении. В предложенных колебательных системах свойство прозрачности формируемой картины сохраняется в полной мере.
2
2
max
max
Отметим, что необходимы значительные внутренние механические силы, для обеспечения механических колебаний достаточно большой амплитуды с приемлемой частотой. Например, если линейка светодиодов массой m=100 г колеблется с амплитудой А=0.5 м и частой F=10 Гц по закону x=Acos(2πFf), то скорость и ускорение линейки изменяются в соответствии со следующими выражениями ν=-2πF4sin(2πFt) и a=-(2πF)Acos(2πFt). В этом случае имеем v=32 м/с, a=1000 м/с=100 g. Так как действующая на линейку сила определяется выражением f=ma, то f=1000 Н. Таким образом, линейка испытывает 100-кратные перегрузки. Эти обстоятельства следует принимать во внимание при оценке любого типа механической колебательной системы и расчете его прочности.
Так как колебательная система должна функционировать в течение длительного времени, наиболее приемлемыми являются решения, при которых трение сведено к минимуму, а перемещения производятся на молекулярном уровне за счет упругости используемых конструкций.
Весьма важным показателем колебательных систем является величина периодических сил, действующих со стороны колебательной системы на неподвижные опоры. Как показано выше, в колебательной системе действуют достаточно большие внутренние силы. Если они не скомпенсированы тем или иным образом, то опоры испытывают значительные нагрузки, что приводит к необходимости иметь соответствующие опоры. Это особенно неприемлемо для переносных устройств.
Наиболее простой и в то же время наиболее привлекательной колебательной системой является длинный упругий стержень 82, показанный на Фиг.8а. Стержень представляет собой механическую колебательную систему с распределенными параметрами, которая имеет бесконечное количество собственных частот, каждая из которых соответствует определенному типу колебаний. Наиболее приемлемым для рассматриваемого применения является колебание, имеющее 2 узла и 2 пучности, как показано на Фиг.8b. Здесь упругий стержень 82 упирается своим нижним концом в неподвижную базу 81, например землю. К верхнему концу стержня прикреплена платформа 83 с модулируемыми по яркости точечными источниками света, в качестве которых обычно используются светодиоды, управляемые микроконтроллером. Колебания могут возбуждаться различными способами, например рукой человека, путем подергивания стержня вблизи узла колебаний. В этом случае прилагаемые к стержню усилия минимальны, а смещение стержня в этом месте составляет не более одного сантиметра, что выгодно отличает такое устройство от известного устройства, показанного на Фиг.7, где человек вынужден снижать скорость до нуля в крайних положениях, а затем снова разгонять светодиоды.
Если устройство является переносным, то неподвижность нижнего основания стержня обеспечивается за счет того, что человек, кроме покачивания стержня, прижимает нижний конец к земле (неподвижной базе). При этом сила трения между нижним концом стержня и неподвижной базой препятствует перемещению нижнего конца относительно неподвижной базы. В том случае, если устройство является стационарным, то нижний конец стержня шарнирно прикрепляется к неподвижной базе таким образом, что стержень может вращаться в плоскости колебаний.
При условии, что поперечное сечение стержня уменьшается с высотой, то амплитуда колебаний платформы 83 значительно превосходит амплитуду колебаний стержня в пучности 84. Это позволяет использовать такие устройства в местах с ограниченным пространством, например при показе изображений человеком, находящимся в толпе. В отличие от прототипа частота колебаний модулируемых точечных источников света определяется не человеком, а параметрами стержня. Она зависит от упругости, массы и длины стержня и может достигать 10 Гц. Так как изображение формируется при прямом и обратном ходе модулируемых точечных источников света, то частота показа изображения составляет 20 Гц. Отметим также, что в отличие от прототипа предлагаемое устройство является механической колебательной системой, в которой при каждом колебании энергия, запасенная в стержне при его изгибе, переходит в кинетическую энергию платформы и наоборот. Как и в любой колебательной системе, колебания затухают постепенно и для их поддержания требуется гораздо меньше усилий, чем у прототипа.
Обычно длина стержня составляет около 3-4 метров. Такая механическая развертка может использоваться для показа изображений вместо обычных транспарантов. Возможность легко и быстро производить смену показываемого изображения, относительно небольшой вес, возможность показывать изображение в темное время суток являются несомненными преимуществами такого устройства. Стержень может быть сделан телескопическим. При этом он напоминает телескопическую удочку. В этом случае его длина в собранном состоянии менее одного метра, диаметр менее двух сантиметров, а вес менее одного килограмма. Можно высказать предположение, что подобные устройства для показа изображений в будущем вытеснят традиционные транспаранты. На Фиг.9 показано устройство, в котором в качестве механической колебательной системы также используется упругий стержень 92 или пластина, например рессора от автомобиля. Колебания в пластине возбуждаются на частоте, при которой в пластине имеется 2 узла и 3 пучности. Пластина шарнирно прикрепляется к неподвижным опорам 96 в тех местах, где у нее находятся узлы колебаний. Шарниры не передают вращательные колебания пластины 92 на неподвижные опоры 96, прикрепленные к неподвижному основанию 91. Платформа 93 с модулируемыми по яркости точечными источниками света прикреплена к верхнему концу вертикального штока 95, нижний конец которого прикреплен к пластине 92 в том месте, где в пластине находится пучность колебаний. Колебания в пластине 92 возбуждаются путем приложения к пластине периодической внешней силы. В частности, периодическая внешняя сила может быть получена при помощи устройств, описанных в пунктах 10-12 формулы изобретения.
На Фиг.10 показано устройство, в котором в качестве механической колебательной системы используется витая пружина 102, например пружина от амортизатора автомобиля. Колебания в пружине возбуждаются на частоте, при которой в пружине имеется 1 узел и 2 пучности. К верхнему концу пружины 102 прикреплен вертикальный шток 105. К верхнему концу этого штока прикреплена платформа 103 с модулируемыми по яркости точечными источниками света. Нижний конец штока 105 скреплен с верхним концом пружины 102 таким образом, что ось штока совпадает с осью пружины. К нижнему концу пружины 102 также прикреплен шток 107 с грузом 104. Пружина 102 шарнирно прикрепляется к неподвижной опоре 106 в том месте, где у пружины 102 находится узел колебаний. Чтобы обеспечить максимальную амплитуду колебаний платформы 103, масса груза 104 выбирается значительно больше массы платформы. Колебания пружины 102 возбуждаются путем приложения к пружине периодической внешней силы. В частности, периодическая внешняя сила может быть получена при помощи устройств, описанных в пунктах 10-12 формулы изобретения. Высота штока 105 может превосходить 4 м. Это делает это устройство весьма привлекательным при показе изображений на различных выставках и экспозициях. Высоко над поверхностью пола видно висящее в воздухе яркое прозрачное изображение логотипа или бегущей строки.
На Фиг.11 показано устройство, в котором в качестве механической колебательной системы также используется натянутый трос 112. К середине троса прикреплена платформа 113 с модулируемыми по яркости точечными источниками света. Колебания троса возбуждаются на частоте, при которой имеется 1 пучность и 2 узла в точках крепления троса. Колебания возбуждаются путем приложения к тросу периодической внешней силы, действующей перпендикулярно тросу. В частности, периодическая внешняя сила может быть получена при помощи устройств, описанных в пунктах 10-12 формулы изобретения.
1/2
-1/2
-1
Если светодиоды прикреплены к тросу длиной L с натяжением Т, как показано на Фиг.11, и масса светодиодов m значительно превосходит массу троса, то собственная частота колебаний Ω определяется следующим выражением Ω=T(Lm). Например, если Т=100 Н, L=3 м, m=0,1 кг, то Ω=18,2 с.
Чтобы иметь возможность значительно увеличить амплитуды колебаний светодиодов, необходимо обеспечить возможность для тросов значительно увеличивать свою длину за счет растяжения. Обычные тросы таким свойством не обладают. Однако это может быть достигнуто путем прикрепления тросов к неподвижным опорам 121 через витые пружины 126, как показано на Фиг.12.
1
Если пружина длиной l и жесткостью k растянута на длину Δl, то сила натяжения тросов Т=kΔl. С другой стороны, если амплитуда колебания светодиодов в горизонтальном направлении равна Δl, то длина пружины должна увеличиваться на величину Δl=(Δl)/L. Таким образом, пружина должна быть удлинена в ΔL/L раз меньше амплитуды колебания светодиодов ΔL. Например, если в положении равновесия пружина за счет натяжения троса удлинена на Δl, а при максимальной амплитуде светодиодов удлинена на 2Δl, то натяжение троса увеличивается в 2 раза при максимальном отклонении по сравнению с натяжением в положении равновесия. Таким образом, рассматриваемая система является нелинейной, в которой параметры системы зависят от амплитуды колебаний. Типичная зависимость резонансной частоты от амплитуды колебаний показана на Фиг.13. Как видно из Фиг.13, максимальная амплитуда колебаний может быть достигнута только в том случае, если первоначально система возбуждается на более низкой частоте, а затем частота возбуждения постепенно увеличивается, приближаясь к частоте, на которой амплитуда колебаний максимальна. Фазовые траектории колебаний с различной амплитудой показаны на Фиг.14. При малых амплитудах фазовые траектории близки к эллипсам, а колебания к синусоидальным. При больших амплитудах колебания отличаются от синусоидальных. В достаточно большом диапазоне отклонений х скорость светодиодов ν, как показано на Фиг.14, практически является постоянной и достаточно резко изменяется при приближении к крайним положениям. Эта особенность колебания является положительной, так как длина изображения определяется областью, где скорость значительно отлична от нуля. В рассматриваемом случае эта длина лишь немного меньше удвоенной амплитуды колебаний.
Колебательные системы, показанные на Фиг.11 и 12, имеют две степени свободы. Колебания светодиодов могут совершаться в плоскости чертежа и перпендикулярно плоскости чертежа. Если возбуждающая колебания периодическая сила приложена в плоскости чертежа, то колебания должны возбуждаться в плоскости чертежа. Однако при практической реализации направление возбуждающей силы может периодически изменяться. Например, на Фиг.15 показано устройство, где возбуждающая сила создается растянутой пружиной, один конец которой прикреплен к натянутому тросу, а другой - к эксцентрику, надетому на вал вращающегося электромотора. При такой реализации возбуждающая сила не находится постоянно в плоскости чертежа и колебания возбуждаются в двух измерениях. Это приводит либо к изменению плоскости колебаний, либо к тому, что траектории светодиодов представляют собой эллипсы.
1
2
e
1
2
e
1
Чтобы обеспечить колебания светодиодов только в одной плоскости, может быть натянуто несколько тросов в плоскости, перпендикулярной скорости светодиодов. Пример наиболее простой такой системы показан на Фиг.15. Изменяя расстояние между точками А и В, можно изменять разницу между резонансными частотами Ω и Ω для колебаний в плоскостях zx и zy. Если частота возбуждения Ω находится между частотами Ω и Ω то амплитуды и фазы колебаний с частотой Ω в плоскостях zx и zy будут различны. В результате траектория светодиодов будет представлять собой эллипс, плоскость которого параллельна плоскости ху. В этом случае формируемое светодиодами изображение оказывается расположенным на выпуклой и вогнутой поверхностях. Если частота возбуждения равна Ω, то колебания имеют место практически в одной плоскости.
На Фиг.16а показана колебательная система, в которой платформа 163 со светодиодами колеблется одновременно в вертикальном и горизонтальном направлениях. Амплитуды этих колебаний одинаковы, а фазы сдвинуты на π/2. В результате скорость любой точки платформы постоянна, что положительно сказывается на качестве изображения. При этом угловая скорость светодиодов равна нулю в отличие от систем, где светодиоды вращаются со скоростью вращения платформы, на которой они установлены. Это позволяет подводить к светодиодам провода непосредственно от неподвижного источника питания, так как провода при этом не перекручиваются.
-3
Система состоит из платформы 163 в виде плоской пластины со светодиодами, через центр тяжести которой проходит ось перпендикулярно плоскости платформы. Эта ось укреплена на рычаге 162, который вращается при помощи мотора 161, закрепленного на неподвижном основании. На другом конце рычага 162 закреплен противовес 164 для балансировки системы. Вообще говоря, если ось 165 проходит через центр тяжести платформы, то при вращении рычага 162 угол наклона платформы к горизонту может быть произвольным. Чтобы исключить эту неопределенность, место в платформе, через которое проходит ось 165, следует выбрать несколько выше центра тяжести платформы таким образом, чтобы при отклонении платформы от горизонтального положения на угол ϕ возникал возвращающий момент сил, равный Msinϕ, где М≈10Н*м.
Полностью устранить неопределенность в положении платформы 163 позволяет устройство, показанное на Фиг.16b. В отличие от устройства на Фиг.16а в устройстве на Фиг.16b платформа прикреплена к трем одинаковым рычагам. Кинематика устройства на Фиг.16 позволяет платформе совершать колебательные движения и оставаться при этом параллельной самой себе. На Фиг.16b платформа показана в виде нескольких планок, чтобы подчеркнуть, что платформа может иметь достаточно большую площадь и использоваться для формирования изображений большого размера.
Необходимой компонентой любой механической колебательной системы, используемой для формирования изображений, являются средства для поддержания колебаний в системе. В предлагаемом изобретении в качестве таких средств предлагается использовать одно из двух устройств. Первое устройство показано на Фиг.17. Оно состоит из закрепленного на неподвижном основании 171 мотора 176, на валу которого находится диск с эксцентриком 175. К эксцентрику прикреплен один конец витой пружины 174. Другой конец этой пружины прикреплен к некоторой точке раскачиваемой колебательной системы 173. Пружина 174 находится в растянутом положении при любых положениях эксцентрика 175 и колебательной системы 173. При вращении мотора 176 со стороны пружины 174 на колебательную систему 173 действует периодическая внешняя сила, которая ее раскачивает. Пружина 174 необходима для вращения мотора на начальном этапе раскачивания, так как создаваемый мотором момент сил недостаточен для соответствующего смещения колебательной системы. При этом следует иметь в виду, что чем меньше жесткость пружины, тем меньше возбуждающая сила и тем меньше амплитуда колебаний. Разрешить противоречие между необходимостью иметь большую амплитуду колебаний, с одной стороны, и необходимостью иметь возможность раскачивать систему при включении мотора, с другой стороны, можно следующим образом. В начальный момент при раскачивании системы на мотор подается не постоянное напряжение, а импульсное с частотой повторения импульсов, равной частоте собственных колебаний системы при малых амплитудах. При этом вал мотора не крутится, а колеблется. Через некоторое количество импульсов, когда амплитуда системы увеличилась в необходимой степени, на мотор начинает подаваться постоянное напряжение и мотор имеет возможность вращаться, так как при этом пружина 174 должна растягиваться в меньшей степени, поскольку конец пружины 174, прикрепленный к колебательной системе 173, уже имеет значительную амплитуду колебаний.
Во втором устройстве для возбуждения колебаний, показанном на Фиг.18, используются инерционные силы, возникающие при вращении несбалансированного мотора 187. Такой разбаланс может быть получен путем прикрепления к валу мотора массивного эксцентрика 188. При вращении такого мотора в невесомости он сохраняет положение своего центра масс. Так как масса эксцентрика перемещается относительно мотора на расстояние 2 r, то центр масс всего мотора смещается в обратном направлении на расстояние s=2rm/(m+M), где М и m - массы мотора и эксцентрика соответственно. Кроме того, система сохраняет момент количества движения. Это приводит к тому, что мотор испытывает некоторое вращательное колебание относительно центра масс. Чтобы исключить это нежелательное явление, введен противовес 189. Масса и положение противовеса выбраны таким образом, что центр масс противовеса и мотора находится в плоскости, которая проходит через центр масс эксцентрика 188 и перпендикулярна оси мотора. Такое устройство отличается высокой надежностью, так как в нем отсутствуют дополнительные трущиеся и скользящие части. Это устройство может быть использовано для возбуждения колебаний в устройстве для формирования изображений, показанном на Фиг.10. В этом случае вместо груза 104 к штоку 107 подвешивается это устройство таким образом, чтобы ось штока 107 проходила через центр тяжести эксцентрика 188.
Это устройство может быть также использовано для возбуждения колебаний в устройствах для показа изображений, показанных на Фиг.9, 11, 12. В качестве примера на Фиг.19 показана схема возбуждения колебаний в устройстве, показанном на Фиг.11. В этом случае вибратор 199 подвешивается непосредственно к нижнему концу троса 2 таким образом, чтобы ось троса проходила через центр тяжести эксцентрика 188. Поскольку смещение платформы 3 происходит в направлении, перпендикулярном направлению действия инерционных сил со стороны вибратора 199, в такой системе могут возбуждаться только параметрические колебания. Вибратор 199 периодически изменяет натяжение троса. Если период таких изменений в 2 раза больше периода собственных колебаний системы, в системе возникают колебания на частоте F=1/(2T), где Т - период, с которым изменяется натяжение троса. Так как колебательная система является нелинейной, амплитуда колебаний увеличивается с увеличением частоты возбуждения. Колебания срываются, если потери энергии в единицу времени в колебательной системе превосходят мощность мотора.
На фиг.20 показано устройство, в котором возбуждение колебаний упругого стержня осуществляется мотором постоянного тока 205, прикрепленного к неподвижному основанию 201. Мотор возбуждается периодическими импульсами напряжения. Мотор возбуждает колебания в упругом стержне 2, который жестко связан с валом 206 мотора 205. Колебания имеют 2 узла. Это позволяет значительно уменьшить динамические нагрузки на основание мотора. Витые пружины 208, прикрепленные к стержню 2 и неподвижным стойкам 207, обеспечивают вертикальное положение стержня как при отсутствии, так и при наличии колебаний.
На фиг.21 показано устройство, которое отличается от устройства, показанного на Фиг.10, тем, что вертикальный шток 105 возбуждает сначала колебания в пластине 211, которая колеблется в вертикальной плоскости. В пластине 211 имеются 2 горизонтальные оси 213, на которые насажены два вращающихся рычага 212. В свою очередь, на рычагах имеются вращающиеся оси 215, к которым прикреплена платформа 103 с точечными источниками света, модулируемыми по яркости. Противовесы 214 служат для уменьшения динамических нагрузок на шток 105. Колебания пружины 102 приводят во вращение рычаги 212, которые вызывают в двух взаимно перпендикулярных направлениях колебания платформы 103 с точечными источниками света, модулируемыми по яркости.
Реакции со стороны колебательной системы на неподвижные опоры могут быть существенно уменьшены, если использовать N одинаковых колебательных систем, каждая из которых возбуждается со сдвигом фазы на 2π/N. В этом случае сумма всех сил, действующих на неподвижные опоры, равна нулю. Кроме того, сдвиг фаз между колебаниями соседних колебательных систем позволяет организовать перекрытие областей, в которых каждая система может формировать изображение. В этом случае отсутствует граница между изображениями, формируемыми соседними системами. В качестве примера на Фиг.22а показаны 4 одинаковые колебательные системы, каждая из которых возбуждается со сдвигом фазы на π/2 относительно соседней левой системы. На Фиг.22б, в, г показаны положения платформ 3 в моменты времени 774, 2774, 3774 соответственно, где Т - период колебания системы. Нетрудно убедиться, что платформы 3 с диодами могут занимать одно и то же место в пространстве и не мешают друг другу, так как они занимают это место в разные моменты времени.
На Фиг.23 показано устройство, состоящее из N одинаковых колебательных систем, которые связаны между собой упругими элементами связи. Такая система представляет собой линию передачи, в которой может распространяться бегущая волна смещений платформ 3. В результате всеми платформами 3 может быть сформировано изображение достаточно большого размера. Как и на Фиг.22, изображение, формируемое одной платформой, может перекрываться с изображениями, формируемыми соседними платформами. Чтобы обеспечить режим бегущей волны, на конце линии передачи необходима согласованная нагрузка, от которой отсутствует отражение волны. Функции такой нагрузки выполняет стержень 231. Необходимость в согласованной нагрузке отпадает, если из линии передачи на Фиг.23 образован кольцевой резонатор бегущей волны путем установки упругого элемента связи между последней и первой колебательными системами. В этом случае, как и в любом резонаторе, возможно значительное увеличение амплитуды колебаний при неизменной величине возбуждающей силы.