EP0704085A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen bildern in gasförmigen medien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen bildern in gasförmigen medien

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EP0704085A1 EP94920440A EP94920440A EP0704085A1 EP 0704085 A1 EP0704085 A1 EP 0704085A1 EP 94920440 A EP94920440 A EP 94920440A EP 94920440 A EP94920440 A EP 94920440A EP 0704085 A1 EP0704085 A1 EP 0704085A1
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    • G09F19/12—Advertising or display means not otherwise provided for using special optical effects
    • G09F19/16—Advertising or display means not otherwise provided for using special optical effects involving the use of mirrors

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for generating two- or three-dimensional images in gaseous media, in particular in the earth's atmosphere.
  • Fig. 1 shows the schematic structure of a device according to the invention with two laser beam deflection systems
  • Fig. 2 shows the entire arrangement in a block diagram
  • the invention is based on the fact that nitrogen and oxygen molecules can be ionized in very large electrical fields (field ionization), and that when an electron is recombined or recaptured, energy is released which is then visible to the molecule in question as light radiation (flash of light) Spectral range is given. If such lighting phenomena are caused at given points, for example a two-dimensional or three-dimensional matrix, a two- or three-dimensional image can be produced. A point of light that is repeated at approx. 25 Hz appears to the viewer as standing. The human eye has a resolution of about 1 minute of arc. At a distance of 100 m from the image to be generated, a line can therefore be drawn if the light points generated are approximately 3 cm apart.
  • the light spots are generated by bundling one or more laser beams, which preferably emit outside or at the edge of the visible spectral range, at the intended location where the light spot is to appear.
  • the corresponding device is shown in FIG. 1.
  • Laser beams or beam pulses are generated by one or more lasers (1)
  • the laser beam falls onto a focusing mirror (4), which focuses the received laser light and focuses it at a distance of 10-100 in a narrow area, in which the field strength then becomes so high that the atmospheric gases contained therein , mainly nitrogen and oxygen, are ionized. Because of the high probability of recombination, the ionization is immediately followed by the laser pulse.
  • a C0 2 laser or a YAG laser is used. Such a laser emits in the infrared spectral range, so that the observers cannot see the laser beam, but only the effect caused by it, ie the light flash (9) or the image composed of such light flashes (9).
  • the expansion mirror (3) shown in Fig. 1 can also be used for beam deflection, so that - analogous to the deflection of an electron beam in a black and white television picture - the focus of the
  • Laser beam pulses scans a given point matrix and generates light flashes (9) at those matrix points that are to appear bright in the image.
  • the focusing mirrors have a diameter of 30 to 50 cm, for example.
  • Both mirrors preferably the entire beam deflection system
  • Tons are used.
  • the two laser beams shown in FIG. 1 do not necessarily have to be in phase at the focusing point his. The only thing that matters is that enough molecules of the atmospheric air are ionized. However, if phase correctness is achieved, an increase in the field strength at the focal point is to be expected, so that the luminous efficiency increases.
  • the optical device (3) with which the laser beam is deflected so that its focal point scans the rows and columns of the intended image, can be equipped with piezo elements. These piezo elements move the deflection mirror and thus achieve beam deflection. So-called scanners are also possible, e.g. rotating mirrors with electrical coil arrangements, as well as so-called Bragg reflectors.
  • the spatial depth, i.e. the third dimension can be achieved by changing the focal length of the optical device (zoom).
  • the laser beam is sent to individual parallel amplifiers in each case after preamplification via a mirror system.
  • the 10 individual laser beams are directed onto the common focus lens via separate deflection systems and focused at the intended pixels, for example, at a distance of about 100 m from the focus lenses. Since the repetition frequency of the laser pulses can be 5 kHz, 50,000 light points per second can be generated with this system. This is sufficient, for example, to produce a neon sign floating in free space.
  • the components of the deflection device are shown schematically in FIG.
  • the entire control is synchronized to the laser beam source (1).
  • electrical signals are derived from the laser pulses with a trigger pulse generator (8), which signals are used in the computer control (6) for triggering the deflection device.
  • the position data available in a storage unit are called up in the computer control (6) and processed into signals which are fed to the optical device (3), which then independently sets the positioning units for the deflection mirrors.
  • the next position data is provided by the storage unit during the setting time.
  • the setting of the positioning units (7) is completed and the next light pulse is emitted by the synchronization source, which now generates the first image and at the same time acts as a trigger for the setting of the next positioning process.
  • a photo transistor can be used in the trigger pulse generator, the input signal of which is converted into a digital signal in an AD converter.
  • a standard office computer with a RAM memory capacity of more than 40MB can be used as the storage unit, for example.
  • the required position data for the pixels to be generated are stored in this memory.
  • One byte contains the information for a positioning unit.
  • the ready data are transmitted to the positioning units (7) on the basis of the trigger signal. After the data has been transferred, the edge position data are provided.
  • Each positioning unit (7) consists of a separate electrical control and a mechanical part.
  • the mechanical part can consist of a rotary magnet, for example, which is set to the 16 possible positions by fixed resistors.
  • a servomotor stepper motor

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem frei im Raum schwebende Leuchtschriften oder zwei- oder dreidimensionale Bilder erzeugt werden können. Dazu werden Laserstrahlen, deren Emissionsfrequenz vorzugsweise außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs liegt, an Orten der jeweils zu erzeugenden hellen Bildpunkte fokussiert, so daß in der Atmosphäre Lichtblitze ausgelöst werden, die z.B. durch Feldionisation der Luftmoleküle und anschließender Rekombination entstehen. Der Fokussierungspunkt der Laserstrahlen wird schrittweise in Zeilen und Spalten verschoben, so daß ein Bild aus einzelnen Lichtblitzen zusammengesetzt wird, das zur Erzeugung eines stehenden Bildes mit einer Bildwechselfrequenz oberhalb von 16 Hz wiederholt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen Bildern in gasförmigen Medien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen Bildern in gasförmigen Medien, insbesondere in der Erdatmosphäre.
Im Stand der Technik werden im Rahmen von sog. "Lasershows" mit Hilfe von Lasern, die mit sichtbarem Licht arbeiten, über den Köpfen der Zuschauer sog. "schwebende" Bilder am Nachthimmel erzeugt. Diese Bilder brauchen jedoch eine Projektionsflache, die in den meisten Fällen eine dünne Gaze ist, die man am dunklen Nachthimmel nicht sehen kann und die teilweise durchscheinend ist. In anderen Fällen wird zur Bilderstellung Nebel oder Rauch verwendet, wobei an den Nebeltröpfchen oder den Rauchteilchen das Laserlicht reflek¬ tiert oder gestreut wird, so daß die Beobachter ein Bild sehen können. Werden zur Bilderzeugung Nebel oder Rauch- wölken benötigt, so ist dies einmal von sich aus störend und zum anderen kann der Betrachter aufgrund unvermeidbaren Streulichtes durch Luftfeuchtigkeit oder Staub jeweils den bzw. die Laserstrahlen sehen, mit denen dann an der Interferenz- bzw. der Fokussierungsstelle der Laserstrahlen das Bild erzeugt wird. Der Betrachter hat also niemals das Gefühl, daß ein selbstleuchtendes Bild frei im Raum erscheint.
Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit denen im gasgefüllten Raum und insbesondere in der Atmosphäre leuchtende Bilder erzeugt werden können, ohne daß dazu Projektionsflachen oder Hilfsmittel wie Nebel oder Rauch eingesetzt werden müssen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, das die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist. Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine zu seiner Durchführung geeignete Vor¬ richtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Laserstrahl-Ablenksystemen
Fig. 2 in einem Blockschaltbild die gesamte Anordnung
Die Erfindung geht davon aus, daß Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in sehr großen elektrischen Feldern ionisiert werden können (Feldionisation) , und daß bei Rekombination bzw. bei Wiedereinfang eines Elektrons Energie frei wird, die von dem betreffenden Molekül dann als Lichtstrahlung (Lichtblitz) im sichtbaren Spektralbereich abgegeben wird. Werden solche Leuchterscheinungen an vor gegebenen Punkten, beispielsweise einer zweidimensionalen oder dreidimensionalen Matrix hervorgerufen, so kann ein zwei- bzw. dreidimensionales Bild hergestellt werden. Ein Lichtpunkt, der mit ca. 25 Hz wiederholt wird, erscheint dem Betrachter als stehend. Das menschliche Auge hat eine Auflösung von etwa 1 Bogenminute. Bei einer Entfernung von 100 m von dem zu erzeugenden Bild kann also eine Linie gezeichnet werden, wenn die erzeugten Lichtpunkte etwa 3cm auseinander liegen.
Gemäß der Erfindung werden die Lichtpunkte dadurch erzeugt, daß ein oder mehrere Laserstrahlen, die vorzugsweise außer¬ halb oder am Rande des sichtbaren Spektralbereiches emittieren, an dem jeweils vorgesehenen Ort, wo der Licht¬ punkt erscheinen soll, gebündelt werden. Entsprechende Vor- richtung ist in der Fig. 1 dargestellt. Durch einen oder mehrere Laser (1) werden Laser-Strahlen oder Strahlimpulse
(2) erzeugt, deren Strahlquerschnitt zunächst in einer optischen Einrichtung (2) z.B. mittels eines Spiegels oder einer Linse aufgefächert bzw. defokussiert wird. Von dem Aufweitungsspiegel (3) fällt das Laserstrahlenbündel auf einen Fokussierungsspiegel (4) , der das empfangene Laserlicht bündelt und in einer Entfernung von 10 -100 in einem schmalen Raumbereich fokussiert, in dem dann die Feldstärke so hoch wird, daß die darin befindlichen atmosphärischen Gase, vornehmlich also Stickstoff und Sauerstoff, ionisiert werden. Der Ionisation folgt wegen der hohen Rekombinationswahrscheinlichkeit unmittelbar der Laserimpuls nach. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wird beispielsweise ein C02-Laser oder auch ein YAG-Laser eingesetzt. Ein solcher Laser emittiert im infraroten Spektralbereich, so daß die Beobachter den Laserstrahl nicht sehen können, sondern nur den von ihm hervorgerufenen Effekt, also den Lichtblitz (9) bzw. das aus solchen Lichtblitzen (9) zusammengesetzte Bild.
Die in der Fig. 1 dargestellten Aufweitungsspiegel (3) können zugleich auch zur Strahlablenkung eingesetzt werden, so daß - analog zur Ablenkung eines Elektronenstrahls in einem schwarz-weiß-Fernsehbild - der Fokussierungspunkt der
Laserstrahlimpulse eine vorgegebene Punktmatrix abtastet und an denjenigen Matrixpunkten, die im Bild hell erscheinen sollen, Lichtblitze (9) erzeugt. Die Fokussierungsspiegel haben beispielsweise einen Durchmesser von 30 bis 50cm.
Beide Spiegel, vorzugsweise das gesamte Strahlablenksystem
(3) und der Laser (1) , sind auf einer sehr schweren Platte
(5) montiert, um Strahlablenkungen zu vermeiden, die aufgrund von Boden-Erschütterungen auftreten könnten.
Beispielsweise können für die Montage der Spiegel luftgelagerte Granitplatten mit einem Gewicht von etwa 4
Tonnen eingesetzt werden. Als Alternative sind montierbare
Stahlkonstruktionen denkbar.
Die beiden in Fig. 1 dargestellten Laserstrahlenbündel müssen im Fokussierungspunkt nicht unbedingt phasengleich sein. Es kommt nur darauf an, daß genügend viele Moleküle der atmosphärischen Luft ionisiert werden. Wird jedoch Phasenrichtigkeit erreicht, so ist eine Erhöhung der Feldstärke an dem Fokussierungspunkt zu erwarten, so daß die Lichtausbeute ansteigt.
Die optische Einrichtung (3), mit der die Laserstrahlbündel so abgelenkt werden, daß ihr Fokussierungspunkt die Zeilen und Spalten des vorgesehenen Bildes abscannt, kann mit Piezoelementen ausgerüstet sein. Diese Piezoelemente bewegen den Ablenkspiegel und erreichen damit die Strahlablenkung. Möglich sind auch sog. Scanner, z.B. drehende Spiegel mit elektrischen Spulenanordnungen, ebenso auch sog. Bragg- Reflektoren. Die räumliche Tiefe, d.h. die dritte Dimension, kann dadurch erzielt werden, daß die Brennweite der optischen Einrichtung verändert wird (Zoom) .
In einer alternativen Ausführungsform wird der Laserstrahl nach einer Vorverstärkung über ein Spiegelsystem an jeweils einzelne parallele Verstärker geschickt. Nach einer erneuten, beispielsweise 10-fachen Verstärkung, die eine 10 MW Impuls-Spitzenleistung ergibt, werden die 10 einzelnen Laserstrahlen über getrennte Ablenksysteme auf die gemeinsame Fokuslinse gelenkt und an den vorgesehenen Bildpunkten beispielsweise in etwa 100 m Entfernung von den Fokuslinsen fokussiert. Da die Wiederholungsfreguenz der Laserimpulse 5 kHz betragen kann, lassen sich mit diesem System 50.000 Lichtpunkte pro Sekunde erzeugen. Dies genügt beispielsweise für die Herstellung einer im freien Raum schwebenden Leuchtschriftanzeige.
In der Fig. 2 sind schematisch die Komponenten der Ablenk¬ vorrichtung dargestellt. Die gesamte Steuerung wird auf die Laserstrahlenquelle (1) synchronisiert. Dazu werden aus den Laserimpulsen mit einem Triggerimpulsgenerator (8) elek¬ trische Signale abgeleitet, die in der ComputerSteuerung (6) für die Triggerung der Ablenkvorrichtung verwertet werden. Auf den Triggerimpuls werden in der Computersteuerung (6) die in einer Speichereinheit bereitliegenden Positionsdaten abgerufen und zu Signalen verarbeitet, die der optischen Einrichtung (3) zuugeführt werden, die danach eigenständig die Positioniereinheiten für die Ablenkspiegel einstellt. Während der Einstellzeit werden die nächsten Positionsdaten von der Speichereinheit bereitgestellt. Nach Ablauf der für den gesamten Vorgang verfügbaren Zeit, die weniger als 200 ms beträgt, ist die Einstellung der Positioniereinheiten (7) abgeschlossen, und von der Synchronisierungsquelle der nächste Lichtimpuls abgegeben, der nun das erste Bild generiert und gleichzeitig als Triggerung für die Einstellung des nächsten Positioniervorgangs dient.
Für die Gewinnung eines Triggerimpulses aus dem Laser¬ strahlimpuls kann in dem Triggerimpulsgenerator ein Foto¬ transistors eingesetzt werden, dessen Asgangssignal in einem AD-Wandler in ein digitales Signal umgeformt wird.
Als Speichereinheit kann beispielsweise ein Standard-Büro¬ computer mit einer RAM-Speicherkapazität von mehr als 40MB verwendet werden. In diesem Speicher sind die benötigten Positionsdaten für die zu erzeugenden Bildpunkte abgelegt. Ein Byte enthält dabei die Information für eine Positionier- einheit. Zur Speicherung der X- und Y-Koordinaten des Bildes werden beispielsweise bei 16 möglichen Positionen jeweils 4 Bit benötigt. Aufgrund des Triggersignals werden die bereit¬ liegenden Daten an die Positioniereinheiten (7) übertragen. Nach der Übertragung der Daten werden die Randpositionsdaten bereitgestellt.
Jede Positioniereinheit (7) besteht aus einer separaten elektrischen Steuerung und einem mechanischen Teil. Der mechanische Teil kann beispielsweise aus einem Drehmagneten bestehen, der durch Festwiderstände auf die 16 möglichen Positionen eingestellt wird. Alternativ zu kann aber auch ein Stellmotor (Schrittmotor) eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen selbstleuchtenden Bildern in gasförmigen Medien, insbesondere in der Erdatmosphäre, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das jeweilige Bild mit Hilfe einer Folge von Licht- blitzen aufgebaut wird, die in dem gasförmigen Medium an den für den Bildaufbau vorgesehenen Bildpunkten durch Ionisation mittels Fokussierung eines oder mehrerer Laserstrahlen (2) ausgelöst werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Bildpunkte durch Scannen des Laserstrahl- Fokussierungspunktes entlang den Zeilen, den Spalten und ggfs. den Reihen einer zwei- bzw. dreidimensionalen Bildpunktmatrix erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die einzelnen Laserstrahlen (2) nach Austritt aus dem Laser (1) zunächst in einer optischen Einrichtung (2) aufgeweitet und anschließend mit einem Fokussierungs¬ spiegel auf den jeweils vorgesehenen Bildpunkt (9) fokussiert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die optische Einrichtung (3) zugleich die zum Abscannen des Bildes notwendige Ablenkung der Laserstrahlen (2) ausführt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder die Fokussierungsebene der Laserstrahlen (2) schrittweise verschoben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß ein Laser (1) verwendet wird, dessen Impulsfolge mehr als 500 Hz, insbesondere ca. 5 kHz beträgt.
7. Verfahren nach einem der Anprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Ausgangs-Strahlen eines Lasers (1) über ein Spiegelsystem an eine Anzahl parallel arbeitender Laser-Verstärker geleitet werden, und daß die Ausgangsstrahlen der Laser-Verstärker jeweils über eigene Defokussierungs-und Ablenksysteme auf eine gemeinsame Fokussierungslinse geleitet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Frequenz des von dem Laser emittierten Strahls außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegt.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 8, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Laser (1) , bei denen die Frequenz des emittierten Lichtes außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegt, einer optischen Einrichtung (2) zur Ablenkung der von dem (den) Laser(n) emittierten Strahlenbündel gemäß den Koordinaten der zu erzeugenden Lichtpunkte, und durch einen oder mehrere Fokussierungsspiegel (4) zur Fokussierung der Laserstrahlen an den vorgesehenen Lichtpunkten.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Triggerimpulsgenerator (8) , der aus den von dem laser (1) abgegebenen Strahlimpulsen Triggersignale gewinnt , eine Computersteuerung, die in Antwort auf einen Triggerimpuls aus den Koordinaten-Daten des zu erzeugenden Lichtpunktes ein Steuersignal für eine Positioniervorrichtung (7) gewinnt, mit der die optische Einrichtung (3) verstellt wird.
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