Лазерные телевизоры

Содержание

Введение

Определение лазера :

 Классификация лазеров по безопасности

 Лазерные группы:

 Твердые лазеры на люминесцентных средах

 Газовые лазеры

 Полупроводниковые лазеры

История лазерных проекционных телевизоров

Принцип действия лазерных кинескопов

Технология LDT:

 Лазерный проектор

 Применение

 Будущее LDT

Вывод

Введение

XX век остался в истории как век самых впечатляющих достижений в различных областях науки и техники. Достаточно вспомнить такие глобальные программы как космос и атомная энергия. Однако даже они не могут сравниться с суперпрограммой XX века - телевидением ни по вложенным средствам, ни по тому мощному влиянию на жизнь планеты, которые ощущает на себе практически каждый человек и которое продолжает возрастать. Поэтому вопрос: "Каким будет телевидение XXI века?"- чрезвычайно важен и содержит в себе очень много различных аспектов: экономический, научно-технический, философский, политический, морально-нравственный и т.д. Вопрос о том, каким будет телевидение нового века, интересует всех. Особое значение этот вопрос имеет для тысяч разработчиков и конструкторов, создающих все новые и новые образцы телевизионных систем. Каждый из них вольно или невольно спрашивает себя: в правильном ли направлении я веду разработку; нужна ли будет моя работа в будущем и каким это будущее будет.

Обычный телевизор, главным элементом которого является кинескоп (электронно-лучевой прибор с люминофорным экраном), доведен сейчас практически до уровня своего совершенства и еще по крайней мере 10-20 лет будет оставаться главным средством отображения ТВ-информации. Однако уже много лет назад стало очевидным, что "экран будущего" на основе обычного кинескопа сделать невозможно. Это связано в первую очередь с геометрическими требованиями к такому экрану: он должен быть не менее 2,0 метров по диагонали. Сделать такой кинескоп практически невозможно, да и не нужно. Поэтому далее в качестве средств создания "экрана будущего" рассматриваются только проекционные системы. Но прежде необходимо хотя бы в общем виде определить, каким же должен быть этот будущий экран.             Вся история развития телевидения однозначно указывает на главный критерий качества ТВ-изображения - это его соответствие реальности, т.е. чем ближе изображение к реальной жизни, тем лучше. Поэтому "экран будущего" должен быть как бы "окном" в реальный мир. Из этого общего положения следуют два основных требования: по размерам этого "окна" и по качеству изображения. Второе требование достаточно сложно и будет подробно рассмотрено ниже, а первое, геометрическое, очень просто: размеры изображения должны быть такими, чтобы зритель наблюдал привычные ему в реальной жизни размеры знакомых объектов. Указанная выше диагональ экрана 2 метра дана для небольших (жилых) помещений с линейными размерами до 10 метров ("домашний телетеатр"). В этом случае телезритель будет, например, действительно наблюдать знакомых ему актеров в своем телетеатре как в реальном театре с первых рядов партера. При увеличении линейных размеров зрительских аудиторий диагональ экрана также должна пропорционально увеличиваться; здесь нет верхнего предела - аудитории могут быть любыми, например, стадионами.

Таким образом, "экран будущего" - это большой экран с максимально приближенным к реальности качеством ТВ-изображения. И если обычные кинескопы выпадают из рассмотрения средств создания такого экрана по геометрическим причинам, то по причине принципиальной недоступности реальности изображения отпадает целый класс современных средств отображения информации: составных экранов; плазменных, светодиодных панелей и т.д. Они пока и не претендуют на высший уровень качества ТВ-изображения, и хотя и имеют большие размеры экранов, предназначены для своих целей (наружная реклама, шоу-бизнес и др.).

Определение лазера

Лазер или оптический квантовый генератор - это генератор электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании вынужденного (стимулированного) излучения.

Классификация лазеров по безопасности

В основу классификации лазеров положена степень опасности лазерного излучения для обслуживающего персонала. По этой классификации лазеры разделены на 4 класса:

класс 1 (безопасные) - выходное излучение не опасно для глаз;

класс II (малоопасные) - опасно для глаз прямое или зеркально отраженное излучение;

класс III (среднеопасные) - опасно для глаз прямое, зеркально, а также диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности и (или) для кожи прямое или зеркально отраженное излучение;

класс IV (высокоопасные)- опасно для кожи диффузно отраженное излучение на расстоянии 10 см от отражающей поверхности.

Лазерные группы

Лазерные системы делятся на три основные группы: твердотельные лазеры, газовые, среди которых особое место занимает CO2 - лазер; и полупроводниковые лазеры. Некоторое время назад появились такие системы, как перестраиваемые лазеры на красителях, твердотельные лазеры на активированных стеклах.

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ЛЮМИНИСЦИРУЮЩИХ СРЕДАХ.

 Это лазеры на стеклах, активированных неодимом (Nd : YAG), лазеры на кристалле иттрий-литиевого флюорита, легированного эрбием (ИЛФ, Er : YAG) или их аналоги. Это лазеры с оптической накачкой. КПД не выше 5%, однако мощность практически не зависит от рабочей температуры. Так как это сравнительно дешевый материал, повышение мощности можно производить простым увеличением размера рабочего элемента. Эти типы лазеров применяются в лазерной спектроскопии, нелинейной оптике, лазерной технологии : сварка, закалка, упрочнение поверхности. Лазерные стекла применяются в мощных установках для лазерного термоядерного синтеза.

Газовые лазеры.

 Существует несколько смесей газов, которые могут испускать вынужденное излучение. Один из газов - двуокись углерода - применяется в N2 - СО2- и СО - лазерах мощностью >15 кВт. с поперечной накачкой электрическим разрядом. А также газодинамические лазеры с тепловой накачкой, у которых основная рабочая смесь: N2+CO2+He или N2+CO2+H2O.

ПРОЧИЕ ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ.

Электроразрядные лазеры низкого давления на благородных газах : He-Ne, He-Xe и др. Это маломощные системы отличаются высокой монохроматичностью и направленностью. Применяются в спектроскопии, стандартизации частоты и длины излучения, в настройке оптических систем.

Ионный аргоновый лазер - лазер непрерывного действия, генерирующий зеленый луч. Накачка осуществляется электрическим разрядом. Мощность достигает нескольких десятков Вт. Применяется в медицине, спектроскопии, нелинейной оптике.

Эксимерные лазеры. Рабочая среда - смесь благородных газов с F2, Cl2, фторидами. Возбуждаются сильноточным электронным пучком или поперечным разрядом. Работают в импульсном режиме в УФ - диапазоне длин волн. Применяются для лазерного термоядерного синтеза.

Химические лазеры. Рабочая среда - смесь газов. Основной источник энергии - химическая реакция между компонентами рабочей смеси. Возможны варианты лазеров импульсного и непрерывного действия. Они имеют широкий спектр генерации в ближней ИК - области спектра. Обладают большой мощностью непрерывного излучения и большой энергией в импульсе. Такие лазеры применяются в спектроскопии, лазерной химии, системах контроля состава атмосферы.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ

составляют самую многочисленную группу. Накачка осуществляется инжекцией через гетеропереход, а также электронным пучком. Гетеролазеры миниатюрны, имеют высокий КПД. Могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Несмотря на низкую мощность они нашли свое применение в промышленности. Они применяются для спектроскопии, оптической стандартизации частоты, оптико-волоконных линий связи, для контроля формы, интерференционных полос деформации, в оптико-электронике, в робототехнике, в системах пожаробезопасности

История лазерных проекционных телевизоров

Попытки использовать лазер для ТВ начались еще в 60-х годах прошлого века, и они не прекращаются до сих пор. . Желание сделать "Лазерный телевизор" объясняется тем, что такой телевизор имеет одно принципиальное преимущество по сравнению с любыми другими -абсолютную чистоту цветов, или по-другому, полную насыщенность и "глубину" цветов. Это обстоятельство сразу же делает лазерное ТВ-изображение чрезвычайно красивым и запоминающимся, что и было впервые продемонстрировано еще в 1970 году на выставке в Осаке. Однако использование в проекторах традиционных лазеров (газовых, жидкостных, твердотельных и других) сопряжено с очень большими сложностями при организации ТВ-растра из-за трудностей в модуляции излучения таких лазеров по пространству и интенсивности. Поэтому лазерные проекторы были и остаются по сей день громоздкими, очень дорогими и сложными в эксплуатации. Кроме того, излучение традиционных лазеров высококогерентно и поэтому ТВ-изображение на внешнем экране имеет так называемый "спекл-фон" (зернистость поля), что крайне отрицательно сказывается на зрении - глаза начинают болеть, как при прямом наблюдении дуги при электросварке. По этим причинам все разработанные в течение последних 30 лет лазерные проекционные системы для ТВ до сих пор остаются на уровне прототипов (макетных образцов) и не находят широкого применения.

Особое место занимают проекционные ТВ-системы на основе нетрадиционных лазеров - лазерных ЭЛП, или лазерных кинескопов. Отличие их от прочих состоит в том, что если все системы разрабатывались параллельно во всех развитых странах мира, то, то лазерные кинескопы создавались и совершенствовались непрерывно все эти годы только в Советском Союзе, а ныне в России. Спорадические попытки отдельных, хотя и очень мощных зарубежных компаний, таких как например, "Мак-Доннел Дуглас" или "ЗМ" (США), или "Самсунг" (Южная Корея), создать лазерный кинескоп заканчивались одинаково - эти программы сворачивались из-за того, что самим разработчикам этих компаний становилось ясным - нужны годы и годы для успешного выполнения этих программ. А этого большого времени им никто не давал -требовалась прибыль, и прибыль в течение не более чем 2-3, максимум 5 лет. А это было не возможно.

Принцип действия лазерных кинескопов

Принцип действия лазерных кинескопов предельно прост и суть его заключена в следующем: заменить люминофор на кристалл, состоящий из тех же элементов, что и люминофор. Это означает упорядочение структуры экрана ЭЛП, который становится единым монокристаллом, а каждая его точка - лазером, в котором генерация достигается в любой момент, когда в эту точку попадает электронный пучок. В силу принципиальных физических законов световой поток или яркость свечения этого нового "лазерного слайда" в десятки раз больше, чем у люминофорного, а цвета совершенно чистые, как и у традиционных лазеров, но полностью без спекл-фона. Однако создание этого лазерного слайда и доведение его до уровня практического применения потребовало именно эти указанные 30 лет.

Технология LDT

LDT(Laser-Display-Technologie) или лазерная технология, возникла не так давно,а серийное производство освоено только в 2000 году. Производством таких проекторов занимается немецкая компания Laser Technologies AG. Как уже упоминалось, для создания изображения используется лазер. Три луча зеленого, синего и красного цвета модулируются по амплитуде в соответствии с подаваемым видеосигналом. Затем, с помощью специальной системы полупрозрачных зеркал, три составляющих смешиваются в один поток. Этот луч подается про оптоволоконному кабелю на проекционное устройство, которое включает в себя систему фокусировки и опто-механическую систему развертки. На экране изображение создается построчно, по вертикали лучом управляет качающее зеркало, а по горизонтали колесо с 25 зеркалами. Получается, луч, двигаясь сверху вниз, успевает прорисовывать строки слева направо. Так как луч успевает за секунду полностью перерисовать экран 50 раз, глаз успевает воспринимать изображение как единое целое и не замечает мерцания.  

С помощью лазерного проектора вполне реально проецировать изображение на поверхность площадью несколько сотен квадратных метров, причем это не обязательно должен быть привычный экран, это могут быть стены зданий или какие-то другие кривые поверхности. Лазерный луч в любой точке создает резкое, насыщенное и при этом яркое и контрастное изображение. Единственное, так как технология еще относительно "сырая", очевидцы наблюдают определенные проблемы с правильностью цветопередачи. Хотя для окраски каждого из лучей применяются специальные кристаллы, меняющие длину волны и, соответственно, цвет, добиться исключительно правильного воплощения цветов непросто. Похоже, в этом направлении ведется определенная работа, и через некоторое время проблема если не исчезнет, то, по крайней мере, будет не так заметна. Длительность службы таких проекторов можно увязать с длительностью "жизни" лазера, а она в 3-5 раз превосходит показатели ламп в других видах проекторов из-за лучшего по сравнению с ними КПД. По части размеров такие проекторы создают двоякое впечатление. С одной стороны, сам лазер - устройство далеко не маленькое и абсолютно не легкое, с другой стороны, проекционная часть соединяется с лазером оптоволоконным кабелем длиной до 30 метров и может разместиться на четверти квадратного метра. С учетом возможности создания огромных изображений такие особенности вполне приемлемы. Пока стоимость таких проекторов составляет не менее $200000, а производятся они в весьма ограниченных количествах. В ближайшее время Laser Technologies AG планирует построить специальный новый завод, после чего можно ожидать и более доступной стоимости на LDT-проекторы. Сейчас применение проекторов, основанных на лазерной технологии, может быть оправдано при организации крупных световых шоу, проецирования компьютерной графики, космического моделирования, в центрах управления, тренажерах, системах виртуальной реальности, крупных конференциях. В будущем же, вероятно, с их помощью будут организовывать кинотеатры, проводить презентации и использовать в других более распространенных сферах.

Лазерный проектор.

По случаю второй годовщины International Planetarium Society компания SCHNEIDER Laser Technologies совместно с Carl Zeiss представила лазерный проектор в Монреале (Канада). Новый видеопроектор с названием ZULIP (Zeiss Universal LaserImage Projektor) специально разработан для планетария и выполнен по технологии LDT. С помощью этого проектора изображение проецировалось на экран площадью 100 кв. м.

Проекционная головка проектора имеет небольшие размеры и может поворачиваться на 270° по азимуту и 90° по вертикали. Суммарная мощность лазерного излучения составляет 10 Вт, а потребляемая мощность от 2 до 4 кВт. В проекторе используются импульсные полупроводниковые лазеры с длительностью световой вспышки 7 пикосекунд (7·10-12 с) и временным интервалом между вспышками порядка 14 наносекунд (14·10-9 с). Сами лазеры с системой модулирования изготовлены по заказу фирмой Jenoptik Laser Optik Systeme. Именно с применением полупроводниковых лазеров значительно удалось снизить энергопотребление проектора. Дело в том, что в первых опытах по созданию лазерного проектора использовался газовый аргон-криптоновый лазер с потребляемой мощностью 160 кВт, требовавший специальной системы охлаждения. Новые полупроводниковые лазеры разработаны в сотрудничестве с университетом Кайзерлаутерн (Kaiserlautern). Для получения лазеров различных цветов используется принцип конверсии цветов: при пропускании лазерного излучения через специальные кристаллы оно (излучение) меняет свою длину волны и, соответственно, цвет. Проекционную головку с оптической системой изготовила фирма Carl Zeiss, а электронную начинку - Schneider.

1	2