Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ЛАЗЕРНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
ЛАЗЕРНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

ЛАЗЕРНАЯ ПРОЕКЦИОННАЯ СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ (ВАРИАНТЫ)

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: для воспроизведения телевизионного изображения на проекционных экранах коллективного пользования. Сущность изобретения: в лазерной проекционной системе отображения телевизионной информации оптический резонатор лазера выполнен в виде трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора с двумя вогнутыми сферическими или цилиндрическими зеркалами, радиус первого из которых превышает радиус второго, и плоского выводного зеркала с отверстием связи, установленного под углом 45 град. к оптической оси резонатора, а на пути выходного лазерного пучка последовательно установлены расщепитель спектральных компонент лазерного излучения из линейной на эллиптическую, преобразователь апертур лазерного пучка, акустооптический модулятор из парателлурита, анаморфотный корректор, селектирующая диафрагма и зеркальный гальванометр. Причем за акустооптическим модулятором по ходу распространения дифрагированных лазерных пучков может быть установлен компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки для двух спектральных компонент лазерного излучения, 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2104617
Класс(ы) патента: H04N5/74, G02B27/18
Номер заявки: 95113996/28
Дата подачи заявки: 03.08.1995
Дата публикации: 10.02.1998
Заявитель(и): Мокрушин Юрий Михайлович; Шакин Олег Васильевич
Автор(ы): Мокрушин Юрий Михайлович; Шакин Олег Васильевич
Патентообладатель(и): Мокрушин Юрий Михайлович; Шакин Олег Васильевич
Описание изобретения: Изобретение относится к лазерной телевизионной технике и может быть использовано для воспроизведения телевизионного изображения на проекционных экранах коллективного пользования.
Известны лазерные системы отображения телевизионной информации, в которых используются мощные непрерывные газоразрядные лазеры видимого диапазона длин волн на переходах ионов инертных газов - аргона и криптона [1, 2, 3]. Недостатками этих систем является низкий коэффициент полезного действия используемых в них лазеров, а также трудности формирования высокоскоростной развертки изображения по строке, что ограничивает в нем число разрешимых элементов.
Известно устройство формирования телевизионного изображения при помощи импульсного источника света и акустического модулятора (АОМ), основанное на экспонировании всей телевизионной строки, задержанной в звукопроводе АОМ, на проекционный экран за один световой импульс [4]. Для получения телевизионного изображения при помощи данного устройства частота модуляции источника света должна равняться частоте строк, а апертура АОМ должна быть равна произведению скорости звука в материале звукопровода АОМ на время, соответствующее длительности телевизионной строки. При этом каждый световой импульс после дифракции на ультразвуковой волне, распространяющейся в АОМ и прохождения через оптическую проекционную систему должен давать на экране изображение строки. Для получения резкого изображения длительность светового импульса должна быть примерно равной времени передачи одного разрешимго элемента телевизионного изображения. Общее число разрешимых элементов в строке без учета ограничений, связанных с дифракционными эффектами в АОМ и оптической проекционной системе, приблизительно определяется выражением:
Nc = T·Δfc/1 + τсв·fc, (1) ,
где T - длительность строки, несущей информацию;
τсв - длительность светового импульса;
Δfc - полоса частот модулирующего сигнала.
Из выражения (1) видно, что для получения 300 разрешимых элементов в строке при T = 60 мкс, Δfc = 6 МГц необходимо, чтобы τсв ≅30 нс. Если принять во внимание, что частота повторения световых импульсов при их высокой средней мощности и направленности излучения должна совпадать с частотой строчной развертки 15,625 кГц для принятого в России телевизионного вещательного стандарта, то понятно, что такие параметры излучения нельзя получить с использованием некогерентных ламповых источников света.
В известном патенте [5] было предложено реализовать проекцию телевизионного изображения при помощи импульсного лазера и акустооптического модуля. В качестве импульсных лазеров в данной работе предлагалось использовать инфракрасные твердотельные лазеры, в частности, лазер на аллюмоиттриевом гранате с неодимом (Nd:YAG), работающие в режиме модуляции добротности с частотой повторения импульсов, равной частоте телевизионных строк. Переход в видимый диапазон длин волн предполагалось осуществлять преобразованием частоты излучения во вторую гармонику в нелинейном кристалле йодистого лития (LiJO3). Для отклонения светового луча в ортогональном направлении предполагалось использовать зеркальный гальванометр либо вращающуюся многогранную зеркальную призму, а в качестве материала для АОМ монокристалл йодноватой кислоты ( α -HJO3) длиной 15,5 см вырезанной вдоль оси [001]. Отсутствие импульсных лазеров на основе Nd:YAG с требуемыми параметрами излучения, а именно, с необходимой длительностью импульса и с достаточной мощностью лазерного излучения приводит к невозможности их использования в предлагаемой системе. Большая длительность импульсов этого типа лазеров приводит к ограничению числа разрешаемых элементов изображения, а низкая мощность лазерного излучения, получаемого при преобразовании инфракрасного излучения в видимое, ограничивает яркость и размер проецируемого изображения.
Наиболее близкой по совокупности признаков и достигаемому результату к предлагаемой лазерной проекционной системе отображения телевизионной информации является лазерная проекционная система отображения телевизионной информации, содержащая импульсный лазер с излучением на двух длинах волн, состоящей из газоразрядного активного элемента на парах меди, блока питания и оптического резонатора, и последовательно расположенные по ходу лазерного луча положительную цилиндрическую линзу, поляризатор, преобразователь поляризации лазерного луча из линейного в эллиптическую, выполненный в виде четвертьволновой пластинки, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, выполненный в виде призмы, акустооптический модулятор, проекционная линза, зеркальный гальванометр и панкратический объектив [6]. В этой системе лазер на парах меди работает с частотой повторения, равной строчной частоте телевизионной развертки 15,625 кГц, и излучает короткие световые импульсы длительностью ≈30 нс на двух длинах волн λ1 = 510,6 нм и λ2 = 578,2 нм с приблизительно равными мощностями. В качестве лазера на парах меди использовался Оксфордский лазер модели CU-15, имеющий среднюю суммарную выходную мощность 15 Вт. Излучение данного лазера является неполяризованным и имеет большую угловую расходимость - 4·10-3 рад, что связано с применением в нем устойчивого резонатора с плоскопараллельным выходным зеркалом, что ограничивает число разрешимых элементов изображения.
Для согласования поляризации лазерного излучения с требуемой поляризацией, обеспечивающей эффективное акустооптическое взаимодействие в АОМ из парателлурита (TeO2), используемого в данной системе, на пути выходящего лазерного пучка установлен поляризатор и четвертьволновая фазовая пластинка. Установка поляризатора лазерного излучения вне резонатора приводит к потере используемой мощности лазерного излучения на 50% и тем самым ограничивает размер и яркость проецируемого телевизионного изображения.
Кроме того, акустооптический модулятор в данной системе [6] размещен в фокальной плоскости цилиндрической линзы. Поэтому при использовании больших мощностей лазерного излучения плотность мощности в области перетяжки достигает громадных величин, что приводит к локальному разогреву и нарушению оптической однородности материала звукопровода АОМ, приводящей к ухудшению параметров проецируемой телевизионной строки, т.е. к уменьшению числа разрешимых элементов и ограничению размеров и яркости проецируемого изображения. В пределе, при малых величинах расходимости лазерного излучения возможно разрушение звукопровода АОМ. Кроме того, установка звукопровода АОМ в перетяжке лазерного излучения, совпадающей с предметной плоскостью проекционного объектива, приводит к тому, что проекционная система становится чрезвычайно чувствительна к различным неоднородностям показателя преломления материала звукопровода и окон модулятора, которые проявляются в виде вертикальных полос в изображении.
Размещенная перед АОМ прототипа дисперсионная призма позволяет осуществлять одновременное выполнение Брэгговских условий дифракции для обеих линий лазерного излучения на одной несущей частоте ультразвука. Однако в этом случае лазерные пучки каждой спектральной компоненты не могут быть полностью совмещены в оптической апертуре АОМ, что приводит к неполному использованию световой мощности лазера, либо возникновению цветной каймы в боковых сторон изображения.
Задачей настоящего изобретения является увеличение размеров и яркости отображаемого на проекционном экране телевизионного изображения, увеличение числа разрешимых элементов по вертикали и горизонтали при наиболее полном использовании мощности лазерного излучения.
Сущность предлагаемого изобретения для решения поставленной задачи заключается в том, что в первом варианте изобретения для увеличения числа разрешимых элементов изображения оптический резонатор лазера выполнен в виде трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора с двумя вогнутыми сферическими зеркалами, радиус первого из которых превышает радиус второго, и плоского выводного зеркала с отверстием связи, установленного под углом 45 град. оптической оси резонатора, так что центр отверстия связи совпадает с общим фокусом сферических зеркал, что приводит к уменьшению расходимости лазерного пучка по двум координатам и позволяет увеличить разрешение системы. Для наиболее полного использования мощности лазерного излучения поляризатор установлен внутри оптического резонатора на его оптической оси между активным элементом и первым зеркалом. Это приводит к уменьшению потерь на преобразование поляризации лазерного излучения в линейно поляризованное. Кроме того, для обеспечения минимальных потерь мощности лазерного излучения при дифракции в акустооптическом модуляторе за счет согласования апертур и обеспечения оптимальных условий дифракции установлены последовательно по ходу лазерного пучка расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, преобразователь поляризации оптического излучения из линейной в эллиптическую, положительная цилиндрическая линза и дополнительно введенный согласующий телескоп, образующий с положительной цилиндрической линзой преобразователь апертур, причем расщепитель спектральных компонент лазерного излучения выполнен из двух дихроичных зеркал, установленных на пути лазерного пучка последовательно друг за другом под углами отражения 45o и 45 - α в плоскости дифракции акустооптического модулятора, где угол α равен половине разности брэгговских углов падения двух спектральных компонент, умноженной на коэффициент увеличения согласующего телескопа. Для обеспечения возможности использования лазеров с большой мощностью, позволяющих увеличить размеры и яркость отображаемого на проекционном экране телевизионного изображения после акустооптическго модулятора перед проекционным объективом установлена дополнительно введенная в систему отрицательная цилиндрическая линза, образующая с проекционным объективом анаморфотный корректор, позволяющий располагать акустооптический модулятор вне зоны фокусировки лазерного пучка. Установка анаморфотного корректора позволяет также увеличить разрешение по вертикали, вследствие уменьшения расходимости лазерного пучка по вертикали. Селектирующая диафрагма, установленная в задней фокальной плоскости проекционного объектива, позволяет увеличить контраст изображения.
Во втором варианте изобретения предложено выполнение трехзеркального неустойчивого резонатора в виде двух вогнутых цилиндрических зеркал, радиус первого из которых превышает радиус второго, с плоским выводным зеркалом, образованным двумя зеркалами с результируемой по величине щелью между ними и расположенным под углом 45 град. к оптической оси резонатора лазера так, что линии фокусов цилиндрических зеркал совпадают со щелью плоского выводного зеркала, расположенной в плоскости дифракции акустооптического модулятора, которое позволяет в предлагаемой системе еще более плотно использовать мощность лазерного излучения без потерь числа разрешимых элементов в формируемом телевизионном изображении. Остальные элементы системы по второму варианту изобретения идентичны первому варианту.
Кроме того, в обоих вариантах выполнения изобретения для увеличения числа разрешимых элементов изображения при использовании двух спектральных компонент лазерного излучения может быть дополнительно установлен компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки для двух спектральных компонент лазерного излучения, выполненный из двух дихроичных зеркал, двух отражающих зеркал, и четырех одинаковых фокусирующих линз, расположенных так, что входное дихроичное зеркало, разделяющее на первую и вторую спектральную компоненту дифрагированное излучение, и выходное совмещающее дихроичное зеркало установлены параллельно между собой и под углом 45o к падающему излучению в плоскости дифракции акустооптического модулятора, а между ними на пути распространения первой спектральной компоненты установлены первая фокусирующая линза, первое отражающее зеркало, вторая фокусирующая линза, а на пути распространения второй спектральной компоненты установлены третья фокусирующая линза, второе отражающее зеркало, четвертая фокусирующая линза, причем первое отражающее зеркало расположено параллельно дихроичным зеркалам, а второе отражающее зеркало относительно трех зеркал повернуто в плоскости дифракции акустооптического модуля на угол, обеспечивающий совмещение изображения телевизионной строки от двух спектральных компонент в предметной плоскости проекционного объектива, а линзы установлены так, что передние фокальные плоскости первой и третьей линз совпадают с выходным окном акустооптического модулятора, а задние фокальные плоскости второй и четвертой линз совпадают с предметной плоскостью проекционного объектива, причем расстояния между первой и третьей, и между второй и четвертой линзами равны их удвоенному фокусному расстоянию. Кроме того, компенсатор временного сдвига позволяет увеличить контраст формируемого на экране телевизионного изображения.
На фиг. 1 представлена схема лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации согласно первому варианту изобретения - вид сверху; на фиг. 2 - часть схемы лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации согласно первому варианту изобретения - вид сбоку; на фиг. 3 - отличительная часть оптической схемы лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации согласно второму варианту изображения в оптическим резонатором, содержащим цилиндрические зеркала - вид сбоку; на фиг. 4 - часть оптической схемы лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации с компенсатором временного сдвига изображений телевизионной строки - вид сверху.
Лазерная проекционная система отображения телевизионной информации в соответствие с первым вариантом выполнения (фиг. 1, 2) содержит импульсный лазер с излучением на двух длинах волн, состоящий из газоразрядного активного элемента 1 на парах меди, блока питания 2, трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора, включающего в себя сферические зеркала 3 и 4 и плоское выводное зеркало 5 с отверстием связи, поляризатор 6, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, состоящий из двух дихроичных плоских зеркал 7 и 8, преобразователь поляризации лазерного излучения из линейной в эллиптическую 9, преобразователь апертур лазерного пучка, состоящий из положительной цилиндрической линзы 10 и согласующего телескопа из двух компонент 11 и 12, акустооптический модулятор 13 из парателлурита, анаморфотный корректор, состоящий из отрицательной цилиндрической линзы 14 и проекционного объектива 15, селектирующую диафрагму 16, зеркальный гальванометр 17, проекционный экран 18.
Лазерная проекционная система отображения телевизионной информации в соответствие со вторым вариантом выполнения (фиг. 3) содержит импульсный лазер с излучением на двух длинах волн, состоящий из газоразрядного активного элемента 1 на парах меди, блока питания 2, трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора, включающего в себя вогнутые цилиндрические зеркала 19 и 20 и плоское выводное зеркало с регулируемой щелью 21, поляризатор 6, плоское отражающее зеркало 22, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, состоящий из двух дихроичных плоских зеркал 7 и 8. Остальные элементы системы 9 - 18 и их расположение соответствует изображенным элементам на фиг. 1 и 2.
Компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки (фиг. 4) состоит из входного дихроичного зеркала 23, линзы 24, зеркала 25, линзы 26, линзы 27, зеркала 28, линзы 29 и выходного дихроичного зеркала 30 и изображен относительно элементов системы акустооптического модулятора 13, отрицательной цилиндрической линзы 14, проекционного объектива 15, селектирующей диафрагмы 16, зеркального гальванометра 17, проекционного экрана 18.
В первом варианте предлагаемой лазерной проекционной системы (фиг. 1, 2) сферические зеркала 3 и 4 и плоское выводное зеркало 5 образуют неустойчивый телескопический резонатор с коэффициентом увеличения M = R4/R3, где R4 и R3 - радиусы кривизны отражающих поверхностей зеркал 4 и 3. Плоское зеркало 5, предназначенное для вывода излучения, имеет в центре отверстие связи диаметром d ≥ H/M, где H - диаметр светового пучка на выходе из лазера, и расположено под углом 45o к оптической оси резонатора в горизонтальной плоскости таким образом, что центр отверстия связи совпадает с точкой общего фокуса зеркал 3 и 4. На оптической оси резонатора лазера между зеркалом вывода излучения 5 и сферическим зеркалом большего радиуса 4 последовательно размещены газоразрядный активный элемент 1 и поляризатор 6, служащий для создания линейно-поляризованного излучения лазерного пучка, причем поляризатор 6 установлен непосредственно перед зеркалом 4. Далее (фиг. 1 и 2) по ходу распространения лазерного пучка последовательно установлены расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, состоящий из плоских дихроичных зеркал 7 и 8. Зеркало 7 установлено под углом 45o к падающему лазерному пучку в горизонтальной плоскости, совпадающей с плоскостью дифракции акустооптического модулятора, а зеркало 8 под углом 45o - α . При этом угол α равен половине разности брэгговских углов падения спектральных компонент на акустооптический модулятор, умноженный на коэффициент увеличения согласующего телескопа. На пути отраженных от зеркал 7,8 световых пучков находятся преобразователь поляризации лазерного излучения 9, например ромб Френеля, установленный в положение преобразования линейной поляризации падающего излучения в эллиптическую с требуемыми эллиптичностью, ориентацией осей эллипсов поляризации и направлением вращения вектора поляризации, преобразователь апертур лазерного пучка, состоящий из отрицательной цилиндрической линзы 10 и согласующего телескопа из двух компонент 11 и 12. Преобразователь апертур установлен в положение коллимирования лазерного пучка в горизонтальной плоскости и фокусировки его в вертикальной. Акустооптический модулятор 113 установлен в преобразованном световом пучке вне зоны линий фокусировки лазерных пучков так, что горизонтальные и вертикальные размеры лазерных пучков разных спектральных компонент пространственно совмещены со звуковым полем в модуляторе. После модулятора 13 установлены отрицательная цилиндрическая линза 14 и проекционный объектив 15, образующие анаморфный корректор. Предметная плоскость анаморфотного корректора совпадает с фокальной плоскостью преобразователя апертур. Предметная плоскость проекционного объектива 15 совпадает с выходным окном АОМ 13. В задней фокальной плоскости объектива 15 расположена селектирующая диафрагма 16 и непосредственно за ней зеркальный гальванометр 17. В плоскости изображения расположен проекционный экран 18.
Во втором варианте предлагаемой лазерной проекционной системы (фиг. 3) цилиндрические зеркала 19 и 20 и плоское выводное зеркало 21 образуют трехзеркальный неустойчивый телескопический резонатор с коэффициентом увеличения M = R20/R19, где R20 и R19 - радиусы кривизны отражающих поверхностей зеркал 20 и 19. Плоское выводное зеркало 21 имеет в середине регулируемую щель размером d≥H/M, где H - диаметр светового пучка на выходе из лазера, и расположено под углом 45o к оптической оси резонатора так, что щель совпадает с линией фокусов цилиндрических зеркал 19 и 20. На оптической оси резонатора лазера между зеркалом 21 и цилиндрическим зеркалом 20 большего радиуса последовательно размещены газоразрядный активный элемент 1 и поляризатор 6, служащий для создания линейно-поляризованного излучения лазерного пучка, причем поляризатор установлен непосредственно перед зеркалом 20. Далее, по ходу распространения лазерного пучка, последовательно установлены плоское отражающее зеркало 22, расположенное параллельно выводному зеркалу 21, и расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, состоящий из плоских дихроичных зеркал 7 и 8. Дальнейшие состав и расположение элементов лазерной проекционной системы совпадают с составом и расположением элементов на фиг. 1 и фиг. 2.
Компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки (фиг. 4) установлен после акустооптического модулятора 13 по ходу дифрагированных лазерных пучков. Входное дихроичное зеркало 23, разделяющее на первую и вторую спектральную компоненты дифрагированное излучение, расположено под углом 45o в плоскости дифракции АОМ 13. В направлении распространения прошедшей сквозь него первой спектральной компоненты дифрагированного излучения установлена первая фокусирующая линза 24, первое отражающее зеркало 25 параллельно зеркалу 23, вторая фокусирующая линза 27 и выходное совмещающее дихроичное зеркало 30, параллельное зеркалу 23. В направлении распространения отраженной от зеркала 23 второй спектральной компоненты установлены третья фокусирующая линза 26, второе отражающее зеркало 28 и четвертая фокусирующая линза 29. зеркало 28 повернуто относительно параллельных зеркал 23, 25, 30 на угол β , компенсирующий сдвиг изображений от двух спектральных компонент на проекционном экране 18. Линзы 24 и 26 установлены так, что их передние фокальные плоскости совпадают с выходным окном акустооптическго модулятора 13. Линзы 27 и 29 установлены так, что их задние фокальные плоскости совпадают с предметной плоскостью проекционного объектива 15. Расстояния между линзами 24 и 27 и между линзами 26 и 29 равны их удвоенному фокусному расстоянию.
Работа лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации происходит следующим образом. На газоразрядный активный элемент лазера 1 на парах меди с блока питания 2 подаются высоковольтные импульсы напряжения синхронно со строчными синхроимпульсами телевизионного сигнала, которые осуществляют разогрев активного элемента и возбуждение атомов меди. Генерация лазерного излучения происходит в резонаторе, образованном зеркалами 3 и 4 на двух спектральных компонентах λ1 = 511,6 нм и λ2 = 578,2 нм в виде коротких световых импульсов с частотой строчной развертки. Лазерное излучение, линейно-поляризованное поляризатором 6, выводится из резонатора зеркалом 5. Установка поляризатора перед глухим сферическим зеркалом 4 большего радиуса приводит к наиболее эффективному снятию инверсии активного элемента излучением с линейной поляризацией так, что снижение выходной мощности лазера всего на 10-15% по сравнению с лазером без поляризатора, а не на 50%, как в случае установки поляризатора вне лазера.
Выходящий из лазера параллельный световой пучок падает под углом 45o в горизонтальной плоскости на дихроичное зеркало 7, которое отражает спектральную компоненту луча с длиной волны λ1 и пропускает с λ2 . Спектральная компонента излучения лазера с λ2 падает на зеркало 8 под углом 45o - α и после отражения проходит еще раз через зеркало 7. Таким образом, система зеркал 7 и 8 расщепляет первоначальный пучок света на две компоненты с длинами волн λ1 и λ2 , распространяющихся под углом 2α друг к другу. Далее оба пучка проходят через преобразователь поляризации лазерного излучения 9, который изменяет их поляризации на эллиптические с требуемыми значениями эллиптичностей ζ , направлениями осей эллипсов поляризации и направлением вращения векторов поляризации так, чтобы они соответствовали собственной поляризации световой волны, проходящей через кристалл парателлурита АОМ 13.
Лазерное излучение, прошедшее через преобразователь поляризации 9, поступает на преобразователь апертур лазерного пучка, который изменяет размеры параллельных лазерных пучков двух спектральных компонент в горизонтальной плоскости до размеров рабочей аппаратуры акустического модулятора 13 и формирует сходящиеся пучки в вертикальной плоскости. После прохождения преобразователя апертур угол между осями пучков двух спектральных компонент λ1 и λ2 становится равным 2α/k , где k коэффициент увеличения согласующего телескопа. Оба пучка падают на звукопровод акустооптического модулятора 13 под углами Θ1 и Θ2 в горизонтальной плоскости и далее распространяются внутри звукопровода под углами Θ1i и Θ2i . Расположение зеркал 7 и 8 выбрано таким образом, чтобы лазерные пучки с длинами волн λ1 и λ2 оказались совмещенными между собой и апертурой АОМ 13 в плоскости дифракции.
В момент заполнения звукопровода АОМ 13 звуковой волной с несущей частотой fo, промодулированной по амплитуде видеосигналом телевизионной строки, лазер генерирует импульс света и происходит дифракция света на звуке. Условия получения эффективной дифракции света на акустических волнах в звукопроводе модулятора 13, т.е. максимальной интенсивности света в дифракционном пучке, определяются совместным решением следующих уравнений [7]:
,
где
Θi и Θd - углы падения и дифракции световых волн внутри кристалла;
ni, nd - показатели преломления для падающей и дифрагированной волн;
no, ne - показатели преломления обыкновенной и необыкновенной световых волн в кристалле;
c11, c12, c44 - упругие постоянные кристалла TeO2;
ρ - плотность материала звукопровода;
f - частота акустических волн;
γ - угол между волновым вектором упругой волны и нормалью к оптической оси кристалла в плоскости акустооптического взаимодействия;
δ - изменение показателя преломления, вызванное оптической активностью, для световых волн, распространяющихся вдоль оптической оси кристалла;
λo - длина волны света в вакууме.
Требуемая величина эллиптичности световых волн, распространяющихся в заданном направлении определяется из соотношений [8]:
.
Решение системы уравнений (2) и (3) для одной выбранной несущей частоты ультразвука f=fo и двух длин волн λ1 и λ2 позволяет определить Θi, Θd и ζ , а также внешние углы падения Θ1 = ni1·Θi1, Θ2 = ni2·Θi2, и дифракции φ1 = nd1·Θd1, φ2 = nd2·Θd2 и, следовательно, величину α = k·(Θ1 - Θ2)/2 . Диапазон частот, при которых имеет место эффективное акустическое взаимодействие при углах падения Θ1 и Θ2 , пропорционален угловому спектру Δγ векторов упругих волн q = 2πf/v , который может быть представлен в виде выражения:
Δγ = sinc2(qd/2), (4) ,
где d - размер излучателя акустических волн в плоскости акустооптического взаимодействия.
На выходе АОМ 13 в первом порядке дифракции образуется спектр дифрагированных световых волн, соответствующий спектру амплитудной модуляции световой волны телевизионным сигналом в строке. Объектив 15 отображает соответствующее этому спектру изображение строки в горизонтальной плоскости на экране 18. Все лишние дифракционные порядки фильтруются диафрагмой 16. Так как источником дифракции световых волн является одна и та же звуковая волна, то ее визуальные изображения на длинах волн λ1 и λ2 пространственно совпадают. Анаморфотный корректор, состоящий из отрицательной цилиндрической линзы 14 и проекционного объектива 15, производит фокусировку строки на экране 18 в вертикальной плоскости, при этом происходит усреднение светового поля на выходной апертуре модулятора 13 по вертикали в плоскости изображения, что уменьшает влияние дефектов кристалла и неоднородностей звукового поля в модуляторе на качество изображения строки на экран.
Расположение АОМ 13 вне перетяжки световых пучков в вертикальной плоскости позволяет существенно снизить плотность световой мощности в кристалле модулятора и на его окнах, что дает возможность работать с большими средними мощностями лазерного излучения.
Телевизионный кадр формируется в результате последовательного отклонения строк по вертикали при помощи зеркального гальванометра 17, на который подаются кадровые синхронизирующие импульсы телевизионного сигнала. Так как число разрешимых элементов системы по кадру определяется выражением Nk = ΔΨ/Δφ, где ΔΨ - угол отклонения лазерного пучка зеркальным гальванометром по вертикали, а Δφ , - расходимость лазерного пучка после зеркального гальванометра, то использование в лазере неустойчивого резонатора с большим коэффициентом увеличения позволяет на порядок уменьшить расходимость лазерного излучения и тем самым увеличить число разрешимых элементов системы по кадру при проекции изображения на большие расстояния.
Работа лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации с использованием импульсного лазера происходит таким образом, что по горизонтальной координате в плоскости экрана строится мгновенное изображение картины амплитудно-модулированного ультразвукового поля, заполняющего кристалл акустооптического модулятора, поэтому к направленности светового излучения по этой координате не предъявляется высоких требований. По другой же, вертикальной координате, для получения большого числа разрешимых элементов необходимо обеспечить высокую направленность лазерного излучения. Такое несовпадение требований к расходимости светового пучка по двум координатам можно использовать для увеличения мощности выходного излучения лазера на парах меди и тем самым увеличения яркости и размера проецируемого изображения. Для этого в варианте 2 лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации вместо сферических зеркал 3 и 4 используются зеркала с цилиндрическими вогнутыми поверхностями 19 и 20 тех же радиусов, что и в варианте 1, а вместо выводного зеркала 5 с отверстием связи, выводное зеркало 21, состоящее из двух плоских зеркал с регулируемой по величине щелью между ними, установленной под углом 45o к оптической оси резонатора лазера так, что линии фокусов зеркал 19 и 20 совпадают со щелью выводного зеркала 21.
В данном варианте по одной вертикальной координате образуется неустойчивый телескопический резонатор с большим коэффициентом увеличения, а по другой - устойчивый с плоскопараллельными отражающими поверхностями. Выходная мощность лазера с таким резонатором соответствует промежуточному значению между выходными мощностями лазеров с устойчивым и неустойчивым резонаторами, что позволяет формировать телевизионное изображение на проекционном экране того же качества, что и в варианте 1, но с яркостью изображения на 10-15% выше. В остальном работа лазерной проекционной системы отображения телевизионной информации по п.2 совпадает с работой системы по п.1.
Известно, что момент появления максимума импульса излучения спектральной компоненты λ2 в лазере на парах меди запаздывает, в зависимости от условий работы активного элемента, на время Δτ ≈ 15 ÷ 50 нс относительно момента появления максимума импульса излучения спектральной компоненты λ1 [9]. За это время ультразвуковая волна в АОМ перемещается на величину Δl = Δτ·v , где V - скорость распространения ультразвуковой волны. В результате световые реплики сигнала телевизионной строки, появляющиеся на выходе АОМ, для компонент излучения λ1 и λ2 будут сдвинуты друг относительно друга.
Для устранения указанного недостатка в предлагаемом изобретении (см. фиг. 4) после АОМ 13 установлен компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки для компонент излучения λ1 и λ2 , осуществляющий совмещение световых реплик сигнала телевизионной строки в предметной плоскости объектива 15.
Лазерное излучение дифрагированное на АОМ 13 падает на дихроичное зеркало 23 и разделяется на две спектральные компоненты λ1 и λ2 . Первая спектральная компонента проходит через дихроичное зеркало 23, линзу 24, отражается от зеркала 25, проходит через линзу 27 и отражается дихроичным зеркалом 30. Вторая компонента отражается от дихроичного зеркала 23, проходит через линзу 26, отражается от зеркала 28, проходит через линзу и дихроичное зеркало 30. С помощью юстировки зеркала 28, вторая компонента совмещается с первой в предметной плоскости проекционного объектива 15.
При реализации системы в качестве активного элемента 1 использован газоразрядный отпаянный активный элемент лазера на парах меди типа ГЛ-201. Резонатор лазера со сферическими зеркалами образует конфокальную систему с коэффициентом увеличения M=30. В фокусе зеркал устанавливалось зеркало вывода излучения 5 с оптимально подобранным отверстием связи. В качестве поляризатора 6 в лазерном резонаторе применялась призма Глана с воздушным зазором.
Указанные элементы, использованные при реализации изобретения, позволили создать лазер на парах меди со средней мощностью излучения Pср=20 Вт (по 10 Вт для каждой спектральной компоненты) при частоте повторения импульсов излучения fп= 15,62 кГц, длительности светового импульса τсв =20 нс, угловой расходимости лазерного пучка диаметром 20 мм равной 3·10-4 рад и линейной поляризации выходного излучения.
Расщепитель спектральных компонент лазерного излучения был изготовлен в виде двух дихроичных зеркал 7 и 8, угол между которыми можно было изменять.
В качестве преобразователя поляризации 9 использовался ромб Френеля
В качестве акустооптического модулятора 13 использовался модулятор со звукопроводом из TeO2 и пьезопреобразователем из ниобата лития (LiNbO3). Технические характеристики акустооптического модулятора следующие: время задержки акустических волн 60 мкс, центральная рабочая частота - 76 МГц, полоса частот ультразвукового преобразователя по уровню 3 дБ - 40 МГц, оптическая апертура модулятора 35х5 мм2, ширина полосы частот акустооптического взаимодействия для световых волн с λ1 и λ2 - 25 МГц, эффективность дифракции в полосе акустооптического взаимодействия - 90%.
В качестве преобразователя апертур лазерного пучка использовалась оптическая система, состоящая из трех ахроматизированных под длины волн λ1 и λ2 объективов 10, 11, 12. Согласующий телескоп имел коэффициент увеличения k= 1,6. В качестве проекционного объектива 15 использовался ахроматизированный для λ1 и λ2 объектив с фокусным расстоянием, зависящим от расстояния до проекционного экрана.
Селектирующая диафрагма 16 была изготовлена в виде прямоугольного окна, пропускающего используемый спектр оптического излучения.
Для развертки изображения по вертикали использовался электромагнитный зеркальный гальванометр 17 с углом отклонения светового луча ±5o и граничной частотой - 800 Гц. Отклоняющее зеркало гальванометра имело диэлектрическое покрытие, отражающее лазерное излучение с длинами волн λ1 и λ2 под углом вблизи 45o.
Рабочие окна всех оптических элементов, используемых в системе, имели просветляющие диэлектрические покрытия для длин волн λ1 и λ2 .
В результате была спроецирована и изготовлена лазерная проекционная система отображения телевизионной информации на большой экран. Ниже приведены технические характеристики системы показывают возможность решения поставленной задачи в предлагаемом изобретении.
Основные технические характеристики системы
1. Цвет изображения - желто-зеленый λ = 0.57 мкм и 0.51 мкм
2. Размер экрана - 4·5 м2 (возможны вариации в зависимости от освещенности)
3. Яркость формируемого изображения - не менее 50 кд/м2
4. Расстояние до экрана от установки - 25-35 м (возможно до 100 м)
5. Разрешение по строке - 2400 по ТВ стандарту
6. Разрешение по кадру - 1000
7. Число градаций яркости - 30
8. Проекционный экран - отражающий, матовый на просвет, люминесцентный и др.
9. Габариты и масса: излучатель оптической системы 1750·605·355 мм3, 65 кг
блоки питания и управления - 1- 485·480·350 мм3, 30 кг - 2- 485·480·200 мм3, 30 кг - 3- 400·400·160 мм3, 15 кг
Общая масса установки - 140 кг
10. Потребляемая мощность от трех фазной сети - 4 кВт
11. Охлаждение - вода, 1...2 л/мин
12. Время непрерывной работы не ограничено
13. Ресурс: активного элемента - 2000 ч
тиратрона - 1000 ч
14. Время готовности системы - 40 мин
Источники информации.
1. Yamoda N., Yamamoto V., Nomura S.. Large screen laser color TV projector.- Proc.Int. Quantum Elektron., 6th, Kyoto, 1970, p. 242-243.
2. Taneda T. et al. High guality laser television display.- Journal of the SMPTE, 1973, no.6
3. Yamamoto V. A 1125-scanning-line laser color TV display. Hytachi Rev. , 1975, no.24, p.89-94.
4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике.- М.: Иностранная литература, 1957, с. 413-419
5. Yamamoto V. Laser imaging device. US. Pat., 3818129
6. J. B. Lowry, W.T. Welford, M.R.Humphries. Pulsed Scophony laser projection system. Optics and Laser Technоlogy. vol.20, no.5, 1988, p.255-258-прототип.
7. Dixon R.W. Acoustic diffraction of light in anisotropik media IEEE J. Quantum Electron. QE-3, 1967, p.85-93.
8. Най Дж. Физические свойства кристаллов. Перев. с англ.,/Под ред. Л.А. Шувалова.-М.: Иностранная литература, 1974
9. Исаев А.А. Спектральный состав индуцированого излучения импульсного лазера на парах меди./в сб. Лазеры на парах металлов и их галогенидов. Труды ФИАН. - М.: Наука, 1987, т.181, с. 35-53.
Формула изобретения: 1. Лазерная проекционная система отображения телевизионной информации, содержащая импульсный лазер с излучением на двух длинах волн, состоящий из газоразрядного активного элемента на парах меди, блока питания и оптического резонатора, положительную цилиндрическую линзу, поляризатор, преобразователь поляризации лазерного излучения из линейной в эллиптическую, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, акустооптический модулятор из парателлурита, связанный с шиной телевизионного сигнала, проекционный объектив и зеркальный гальванометр, отличающаяся тем, что введены согласующий телескоп, отрицательная цилиндрическая линза и селектирующая диафрагма, оптический резонатор лазера выполнен в виде трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора с двумя вогнутыми сферическими зеркалами, радиус первого из которых превышает радиус второго, и плоского выводного зеркала с отверстием связи, установленного под углом 45o к оптической оси резонатора так, что центр отверстия связи совпадает с общим фокусом сферических зеркал, причем поляризатор установлен внутри оптического резонатора на его оптической оси между активным элементом и первым зеркалом, а на пути выходного лазерного пучка последовательно установлены расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, преобразователь поляризации лазерного излучения из линейной в эллиптическую, положительная цилиндрическая линза, образующая с расположенным за ней согласующим телескопом преобразователь апертур лазерного пучка, после зоны фокусировки которого в предметной плоскости проекционного объектива или оптически сопряженной с ней установлен акустооптический модулятор из парателлурита, отрицательная цилиндрическая линза, образующая с установленным за ней проекционным объективом анаморфотный корректор, а в задней фокальной плоскости проекционного объектива перед зеркальным гальванометром установлена селектирующая диафрагма, причем задняя фокальная плоскость преобразователя апертур совпадает с предметной плоскостью анаморфотного корректора, а расщепитель спектральных компонент лазерного излучения выполнен из двух дихроичных зеркал, установленных под углами 45o и 45o-а к падающему излучению, где угол а равен половине разности брэгговских углов падения двух спектральных компонент на акустооптический модулятор, умноженной на коэффициент увеличения согласующего телескопа.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что между акустооптическим модулятором и отрицательной цилиндрической линзой по ходу распространения дифрагированных лазерных пучков дополнительно установлен компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки для двух спектральных компонент лазерного излучения, содержащий входное дихроичное зеркало, разделяющее на первую и вторую спектральные компоненты дифрагированное излучение, и выходное совмещающее дихроичное зеркало, установленные параллельно между собой и под углом 45o к падающему излучению, а между ними на пути распространения первой и второй спектральных компонент установлены соответственно первая и третья фокусирующие линзы, передние фокальные плоскости которых совпадают с выходным окном акустооптического модулятора, первое и второе отражающие зеркала, вторая и четвертая фокусирующие линзы, задние фокальные плоскости которых совпадают с предметной плоскостью проекционного объектива, причем первое отражающее зеркало расположено параллельно дихроичным зеркалам, а второе отражающее зеркало относительно трех зеркал повернуто на угол, обеспечивающий совмещение изображений телевизионной строки от двух спектральных компонент в предметной плоскости проекционного объектива, причем расстояния между первой и третьей и между второй и четвертой линзами равны их удвоенному фокусному расстоянию.
3. Лазерная проекционная система отображения телевизионной информации, содержащая импульсный лазер с излучением на двух длинах волн, состоящий из газоразрядного активного элемента на парах меди, блока питания и оптического резонатора, положительную цилиндрическую линзу, поляризатор, преобразователь поляризации лазерного излучения из линейной в эллиптическую, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, акустооптический модулятор из парателлурита, связанный с шиной телевизионного сигнала, проекционный объектив и зеркальный гальванометр, отличающаяся тем, что введены согласующий телескоп, отрицательная цилиндрическая линза и селектирующая диафрагма, оптический резонатор лазера выполнен в виде трехзеркального неустойчивого телескопического резонатора с двумя вогнутыми цилиндрическими зеркалами, радиус первого из которых превышает радиус второго, и плоского выводного зеркала, образованного двумя зеркалами с регулируемой щелью между ними и расположенного под углом 45o к оптической оси резонатора так, что линии фокусов цилиндрических зеркал совпадают с щелью плоского выводного зеркала, причем поляризатор установлен внутри оптического резонатора на его оптической оси между активным элементом и первым зеркалом, а на пути выходного лазерного пучка последовательно установлены плоское отражательное зеркало, расположенное параллельно выводному, расщепитель спектральных компонент лазерного излучения, преобразователь поляризации лазерного излучения из линейной в эллиптическую, положительная цилиндрическая линза, образующая с расположенным за ней согласующим телескопом преобразователь апертур лазерного пучка, после зоны фокусировки которого в предметной плоскости проекционного объектива или оптически сопряженной с ней установлен акустооптический модулятор из парателлурита, отрицательная цилиндрическая линза, образующая с установленным за ней проекционным объективом анаморфотный корректор, а в задней фокальной плоскости проекционного объектива перед зеркальным гальванометром установлена селектирующая диафрагма, причем задняя фокальная плоскость преобразователя апертур совпадает с предметной плоскостью анаморфотного корректора, а расщепитель спектральных компонент лазерного излучения выполнен из двух дихроичных зеркал, установленных под углом 45o и 45o-а к падающему излучению, где угол а равен половине разности брэгговских углов падения двух спектральных компонент на акустооптический модулятор, умноженной на коэффициент увеличения согласующего телескопа.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что между акустооптическим модулятором и отрицательной цилиндрической линзой по ходу распространения дифрагированных лазерных пучков дополнительно установлен компенсатор временного сдвига изображений телевизионной строки из двух спектральных компонент лазерного излучения, содержащий входное дихроичное зеркало, разделяющее на первую и вторую спектральные компоненты дифрагированное излучение, и выходное совмещающее дихроичное зеркало, установленные параллельно между собой и под углом 45o к падающему излучению, а между ними на пути распространения первой и второй спектральных компонент установлены соответственно первая и третья фокусирующие линзы, передние фокальные плоскости которых совпадают с выходным окном акустооптического модулятора, первое и второе отражающие зеркала, вторая и четвертая фокусирующие линзы, задние фокальные плоскости которых совпадают с предметной плоскостью проекционного объектива, причем первое отражающее зеркало расположено параллельно дихроичным зеркалам, а второе отражающее зеркало относительно трех зеркал повернуто на угол, обеспечивающий совмещение изображений телевизионной строки от двух спектральных компонент в предметной плоскости проекционного объектива, причем расстояния между первой и третьей и между второй и четвертой линзами равны их удвоенному фокусному расстоянию.