ЛАЗЕРНЫЙ ПРОЕКТОР

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована для преобразования и восприятия на расстоянии на отражающих или рассеивающих экранах световых статических и динамических лазерных изображений, созданных на основе пиксельной и векторной компьютерной графики, стереолитографической 3D печати, изготовления печатных плат, изготовлении клише для тампопечати, изготовления фотоотверждаемых печатей и форм (офсетная и флексо печать), применения в конструкции лазерных принтеров, для лазерной обработки (резка, гравировка, лазерная обляция) и 3D сканирования объектов.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
2
Известен патент, который представляет собой устройство для управления лазерными пучками с целью дистанционного воспроизведения на экране цветных изображений и состоит из одного лазера, в котором лазерные пучки трех основных цветов: красного, зеленого и синего разделены, или нескольких лазеров, излучающих соответственно фасный, зеленый и синий цвета ЕР 488903 МПК 5: H04N 9/31, Сони корп.(Япония), 1992 - "Лазерный цветной проекционный дисплей". Интенсивность лазерных пучков модулируют и лазерные пучки направляют на сканатор, состоящий из барабанного зеркала и зеркального гальванометра для развертки лазерного излучения и создания на экране цветного изображения. Лазерные пучки длиной волны 568,2 и 647,1 нм смешивают в пропорции 1:20. В результате выходное излучение по цвету соответствует длине волны 612 нм. Известное устройство обладает следующими недостатками. Телевизионный метод сканирования лазерными пучками (построчная развертка) приводит к необходимости освещения всей плоскости экрана, что требует использования сверхмощных лазеров для экранов с площадью более 10 м.
Известен лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных многоцветных изображений, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник многоцветного когерентного излучения, имеющий в спектре излучения три основных цвета; устройство формирования лазерных лучков трех основных цветов; устройство управления интенсивностью лазерных пучков трех основных цветов; устройство проектирования на плоскость наблюдения лазерных пучков трех основных цветов, а также включает блок акустооптических дефлекторов для независимого поэлементного и дискретного позиционирования лазерных пучков трех основных цветов в элементы лазерного изображения на плоскости наблюдения, соответствующие элементам исходного компьютерного изображения, и устройство масштабирования, фокусирования и совмещения взаимосвязанных лазерных изображений на плоскости наблюдения, расположенное между блоком акустооптических дефлекторов и плоскостью наблюдения, см патент РФ №2116703.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, обусловленная необходимостью использования последовательно двух гальванометров, поскольку один гальванометр позволяет отклонять луч только по одной оси. Известное устройство имеет довольно массивные элементы с высокой степенью инерции при изменении их положения, что не позволяет обеспечить четкое изображение и достаточную для восприятия человеком скорость обновления кадров изображения.
Полезная модель направлена на упрощение конструкции проектора путем обеспечения возможности одновременно отклонения луча лазера по двум осям, а также на повышение быстроты и точности получения изображения за счет уменьшение массогабаритных элементов формирования изображения проектора и снижения их моментов инерции в элементах формирования изображения.
Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных изображений содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник когерентного излучения и средство проектирования когерентного излучения на плоскость наблюдения, характеризующийся тем, что средство проектирования когерентного излучения на плоскость наблюдения выполнено в виде микроэлектромеханического устройства, которое содержит единый кристалл кремния на изолирующей подложке со смонтированным на его поверхности отражающим зеркалом, связанным с четырьмя попарно связанными программируемыми актуаторами и установленным с возможностью изменения его наклона по двум осям под действием электростатических сил, возникающих при подаче зеркальной относительно нуля биполярной разности потенциалов на вход каждого из актуаторов, одна пара которых формирует искривление кристалла кремния и изменение наклона зеркала по оси X, а другая пара формирует искривление кристалла кремния и изменение наклона зеркала по оси Y.
Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в том, что применение микроэлектромеханического зеркала заявленной конструкции позволяет в одном устройстве отклонять лазерный луч одновременно по двум осям. Конструкция микроэлектромеханического устройства плоскости крепления зеркала представляет из себя единый кристалл кремния. Такая система отклонения луча когерентного излучения в меньшей степени подвержена термическому влиянию среды и обеспечивает низкий показатель дрейфа нулевой точки, чем гальванометрический сканатор или другие средства обеспечения развертки, такие как вращающееся с высокой скоростью зеркала-призмы и т.д. Отражение луча когерентного излучения от одного зеркала в меньшей степени подвержена ухудшению характеристик луча, чем в системах с двумя и более зеркалами. Благодаря значительно меньшей массе зеркала, чем в известных гальваносистемах, и отсутствия массивных элементов с высокими моментами инерции, точно и быстрее направлять луч на плоскость наблюдения. Заявленное устройство характеризуется высокой компактностью узла формирования изображения и малыми размерами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид микроэлектромеханического зеркала, на фиг. 2 - оптическая схема заявленного проектора.
Лазерный проектор для производства статических и динамических лазерных изображений содержащий последовательно расположенные и оптически связанные между собой источник когерентного излучения 1 и средство проектирования когерентного излучения на плоскость наблюдения, которое выполнено в виде микроэлектромеханического устройства, которое содержит единый кристалл кремния на изолирующей подложке (на чертеже не видны) со смонтированным на его поверхности отражающим зеркалом 2, которое связанно с четырьмя попарно связанными программируемыми актуаторами 3 и установлено с возможностью, изменения его наклона по двум осям под действием электростатических сил, возникающих при подаче зеркальной относительно нуля биполярной разности потенциалов на вход каждого из актуаторов. Одна пара актуаторов 3 формирует искривление кристалла кремния и изменение наклона зеркала по оси X, а другая пара формирует искривление кристалла кремния и изменение наклона зеркала по оси Y.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Лазерный луч от источника когерентного излучения 1 направляют на микроэлектромеханическое зеркало 2 устройства проектирования когерентного излучения на плоскость наблюдения. Программируемые микроприводы обеспечивают изменения наклона плоскости зеркала по двум осям, в результате чего на плоскости наблюдения появляется статическое или динамическое изображение.
Ключевым элементом полезной модели является микроэлектромеханическое устройство (микроэлектромеханическое зеркало) - двухосевой актуатор 3, работающий по электростатическому принципу и представляющий собой единый кристалл кремния на изолирующей подложке с установленным на него зеркалом 2. Конструкция микроэлектромеханического устройства отклонения луча включает четыре попарно связанных актуатора (-Х и +Х, -Y и +Y) разнонаправленно искривляющих кристалл кремния со смонтированным на его поверхность отражающим зеркалом 2 под действием электростатических сил возникающих при подаче зеркальной относительно нуля биполярной разности потенциалов на вход каждого из актуаторов. Каждая пара актуаторов образуют привод отдельной оси: -X и +Х формирует искривление кристалла кремния по оси X, a -Y и +Y формирует искривление кристалла кремния по оси Y. При подаче положительного потенциала на актуатор +Х и отрицательного потенциала на актуатор -X искривление кристалла кремния происходит на условный угол dX, а при смене полярности и подаче положительного потенциала на актуатор -X и отрицательного потенциала на актуатор +Х искривление кристалла кремния происходит на угол -dX равный по модулю dX, но обратный по знаку. Таким образом, всегда один из актуаторов оси выполняет роль «толкающего» актуатора, а второй «тянущего». За счет собственной сопротивляемости скручиванию кристалла кремния в положении отличном от нулевого спокойного положения, электростатическим силам сформированным в актуаторах противодействуют внутренние силы сопротивляемости скручиванию кристалла кремния, что приводит к установлению равновесного положения с фиксированным для каждого уровня разности потенциалов углом отклонения по каждой из осей. Для обеспечения линейности работы устройства, предполагается применение именно биполярной разности потенциалов к каждой паре актуаторов, таким образом, чтобы уровень амплитуды разности потенциалов для питания одного актуатора относительно нуля был равен по модулю и обратный по знаку: например +5. и -5 вольт о нулевым уровнем в 0 вольт. Конструкция предусматривает использование актуаторов с различным принципом действия: линейные актуаторы, вращающиеся актуаторы, возможно применение в конструкции и пьезо-актуаторов.
Использование биполярного питания актуаторов, где один актуатор в паре выполняет роль «толкающего», а другой «тянущего» обеспечивает две отличительные особенности микромеханического устройства: увеличение скорости искривления кристалла кремния и, соответственно, ускорение позиционирования зеркала и, что самое главное, - отклонение зеркал {независимо, по двум осям) в 4х квадрантах, тем самым двукратно увеличивается разность углов отклонения зеркала и обеспечивается линейность в зависимости между амплитудой разности потенциалов и углом отклонения зеркала.
Конструкция микромеханического устройства с двумя парами актуаторов позволяет точно локализовать момент возникновения резонанса в системе кристалл кремния - актуаторы. Обычно точка резонанса лежит в диапазоне 1-5 кГц и индивидуальна для каждой отдельной системы {определяется типом использованного актуатора и массой зеркала). Момент возникновения резонанса используется для формирования строчной развертки при воспроизведении видеоизображения при помощи описываемой полезной модели. В моменте возникновения резонанса, амплитуда колебаний зеркал по оси, где возник резонанс, достигает максимально возможных значений и наименее подвержена силам инерционного сопротивления. За счет этого эффекта, достигается быстрая строчная развертка с минимальными искажениями линейности на краях хода луча.
Заявленный проектор может быть использован для 3-D печати. В этом случае луч лазера с длиной волны 340-420 нанометров отклоняется по заданной программе, вырисовывая снизу на прозрачном дне ванны с фотоотверждаемым жидким полимером срез печатаемого изделия. После отрисовки одного среза печатаемого изделия, в тех точках, куда светил лазер, жидкий фотололимер отверждается в твердый полимер, твердое изделие отрывается от дна ванны и поднимается на толщину слоя печати (например на 20 микрон) и проректор по программе следующего слоя отрисовывает очередной срез изделия. Для повышения качества печати, возможно использовать в оптической оси 3D принтера (между проектором и дном печатной ванны) оптики, обеспечивающей плоское фокальное поле на дне ванны. Для этих целей применяются F-theta объективы.
Заявленный проектор может быть использован в лазерном шоу. Проектор отклоняет один или несколько лазерных лучей разного цвета, формируя на сцене или в зрительном зале контурные изображения различного цвета. Использование заявленного проектора позволит многократно увеличить детализацию воспроизводимых изображений, сложной векторной лазерной анимации, а также реализовать недоступные ранее методы формирования изображения: штриховки зон изображения и закраски зон изображения.
Заявленный проектор может быть использован в качестве проецирующего полноцветного видеоизображение устройства. Для реализации быстрой строчной развертки используется возможность системы кристалл кремния - актуатор входить в резонанс, увеличивая скорость и амплитуду отклонения зеркала по одной из осей.
Заявленный проектор может быть использован для изготовления печатных плат. В этом случае, луч лазера отклоняется, вырисовывая на фоторезисте нанесенном на металлическую поверхность заготовки печатной платы формы проводников и зазоров между проводниками. В последствии, засвеченная плата проходит химическую обработку (промывку), где засвеченный фоторезист вымывается, а плата с оставшимся фоторезистом проходит обработку травлением. В результате на заготовке платы формируется рисунок токопроводящих дорожек.
Заявленный проектор может быть использован для изготовления печатей для документов. В этом случае, луч лазера с длиной волны от 280 до 420 нм отклоняется, вырисовывая элементы печати на фотополимере для изготовления печатей. Возможен и обратный способ формирования печатей, где из листа цельной резины для изготовления печати лазерным лучом с длиной волны 1064 нм или 10600нм удаляются непечатаемые элементы печати.
Заявленный проектор может быть использован для изготовления клише для тампопечати, форм для флексопечати и форм для офсетной печати, где лазерами с УФ спектрами (длины волн от 280 до 420 нм) прорисовываются элементы выступающие или погруженные элементы.
Заявленный проектор может быть использован в конструкции лазерных принтеров, где передача заряда на фотобарабан осуществляется лазерами ИК спектра, отклоняемыми при помощи описываемого проектора.
Заявленный проектор может быть использован для лазерной гравировки, лазерной резки и лазерной обляции, где может заменить традиционные системы развертки лазерного луча. В оптической системе используются линзы или объективы с плоским фокальным полем (F-theta).