Способ и устройство проецирования изображения с лазерным усилением яркости
METHOD AND DEVICE FOR IMAGE PROJECTION WITH LASER BRIGHTNESS ENHANCEMENT

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к способам и устройствам проецирования изображения, и может быть использовано 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 и усилитель излучения на парах бромида меди. Между лазером и усилителем расположен формирователь изображения, выполненный в 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 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 формирователь изображения может устойчиво и долговечно работать.
Известен лазерный проектор с оптическим резонатором [2], который содержит 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 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 отображаемого объекта, что позволяет усилить отраженное излучение. Недостатками аналога являются "модовый" характер изображения, и, как следствие, нечеткость изображения и сложность юстировки оптической системы.
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 фокусировки оптическая система, а с другой стороны расположен проекционный объектив. Способ формирования изображения в данной системе заключается в том, что сверхизлучение лазерной среды направляют на объект через фокусирующую оптическую систему, затем отраженное от объекта излучение возвращают обратно в лазерную среду, где оно усиливается за один проход. При этом оптическая система формирует усиленное за один проход изображение на дальнем торце лазерной среды. Проекционный объектив проецирует это усиленное изображение объекта с увеличением или уменьшением его размера. Использование лазера на парах металла позволяет повысить яркость изображения, что можно использовать для проекционной микроскопии или лазерной обработки материалов. 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, излучение с изображением 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.
Кроме этого, в способе проецирования изображения с лазерным усилением яркости предусмотрено следующее отличие, а именно, что изображение проецируемого объекта формируют внутри каждой лазерной среды, последнее из которых проецируют на поверхность 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, 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 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 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 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 уменьшается фоновая засветка изображения и, соответственно, повышается его контрастность.
Техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает значительное повышение мощности выходного излучения и, соответственно, яркости проецируемого изображения, а также повышение его контрастности, при сохранении малой лучевой нагрузки на носитель изображения - проецируемый объект.
Техническая сущность предложенного решения поясняется чертежами: фиг. 1 содержит схему устройства, фиг. 2 - распределение интенсивности излучения по сечению проекции изображения объекта, представляющего собой структуру из алюминиевых полос на подложке из стекла, на фиг. 3 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;
2 - фокусирующая оптическая система;
4, 8 - лазерный активный элемент со сверхизлучающей лазерной средой;
7, 10 - дополнительные объективы;
13 - проекционный объектив;
17, 19 - системы возбуждения активных элементов;
18 - блок синхронизации.
Проецируемый объект 1 является носителем исходного изображения и может являться самостоятельным объектом наблюдения, например, в проекционной микроскопии или служить статической или динамической управляемой матрицей для формирования кино или видеоизображений. Для получения динамических изображений в качестве проецируемого объекта ранее использовалась подвижная кинопленка, а сейчас электронно-оптические 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 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 оптическую систему фокусировки 2 направляется обратно в активный элемент 4, где на обратном проходе происходит его усиление. Далее излучение усиливают в дополнительных лазерных средах таких как среда активного элемента 8, количество которых определяется из заданной конечной яркости изображения.
Именно использование каскадов дополнительных активных элементов со сверхизлучающими лазерными средами позволяет увеличивать яркость проецируемого на экран изображения практически до любых значений без увеличения лучевой нагрузки на проецируемый объект (для видеоизображений это жидкокристаллическая или микрозеркальная матрицы), что было недостижимо в известных способах проецирования.
Для иллюстрации этого на фиг. 1 показана такая дополнительная среда активного элемента 8, которая является в данном исполнении и последней активной средой «каскада» усилителей. 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, передается объективом 10, параметры которого идентичны параметрам объектива 7, в виде промежуточного изображения 12 в пространство свободное от лазерной среды. Это делается для уменьшения фокусного расстояния проекционного объектива 13, который проецирует это изображение в виде конечного усиленного изображения 14 на любую удаленную рассеивающую поверхность служащую 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 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 объекта, и излучения сверхизлучения, выходящего в сторону экрана. При 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 активного элемента 4 с отставанием по времени от "паразитного" сверхизлучения на время равное прохождению света расстоянию равному двойной длине лазерной сред 2L.
При характерной длине лазерных сред около одного метра, это отставание составляет несколько наносекунд, что вполне достаточно для управления 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" 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 контроля контраста при изменении времени синхронизации, в схему устройства проецирования, приведенного на фиг. 1, дополнительно введен датчик 16 распределения интенсивности излучения по его сечению, который измеряет распределение интенсивности промежуточного изображения 15 объекта 1 в сопряженной плоскости объектива 10, которое сформировано с помощью светоделительного элемента 11. Промежуточное изображение 15 является последним перед проецированием на экран и поэтому отражает реальную картину контраста изображения.
Фиг. 2 содержит результаты измерения интенсивности по сечению изображения 15, когда в качестве проецируемого объекта 1 используется тестовая стеклянная подложка 20, на которую нанесены алюминиевые чередующиеся дорожки. Сама пластина имеет низкий коэффициент отражение (4%), а алюминиевые дорожки - высокий (85%). График 21 иллюстрирует распределение интенсивности излучения по сечению изображения объекта с использованием одной лазерной среды (прототип), а график 22 - с использованием одного дополнительного лазерного усилителя. В лазерных сред были использованы два одинаковых лазерных элемента на парах меди длиной 1 м, диаметром канала 20 мм. Результаты измерений сведены в таблицу.
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. 3 приведен пример динамической проекции изображения на удаленной рассвивающей 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 30×40 м. Выходная средняя мощность излучения при полностью «открытой» матрице (белое поле) составила 20 Вт, при частоте импульсов 16 кГц. Такая мощность позволила наблюдать яркое динамическое видеоизображение 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 удаленные рассеивающие поверхности большой площади. Использование в качестве проецируемого объекта 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.
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 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».