EP0704085B1 - 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 Download PDF

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EP0704085B1 EP94920440A EP94920440A EP0704085B1 EP 0704085 B1 EP0704085 B1 EP 0704085B1 EP 94920440 A EP94920440 A EP 94920440A EP 94920440 A EP94920440 A EP 94920440A EP 0704085 B1 EP0704085 B1 EP 0704085B1
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    • G09F19/00—Advertising or display means not otherwise provided for
    • 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.
  • DE-A-41 28 949 discloses a method for the spatial representation of images, in which a medium is used in which particles of a luminescent substance are distributed. Two bundles of rays are superimposed in the medium in such a way that the luminescent particles are activated at their intersections and brought to light emission.
  • 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.
  • Corresponding device is shown in FIG. 1.
  • One or more lasers (1) generate laser beams or beam pulses (2), the beam cross section of which is initially in one optical device (2) is fanned out or defocused, for example by means of a mirror or a lens. From the expansion mirror (3), the laser beam falls onto a focusing mirror (4), which focuses the received laser light and focuses it at a distance of 10-100 m in a narrow area, in which the field strength then becomes so high that the atmospheric therein Gases, primarily nitrogen and oxygen, are ionized.
  • the ionization is immediately followed by the laser pulse.
  • a CO 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 focal point of the laser beam pulses scans a predetermined point matrix and at those matrix points in the Image should appear bright, flashes of light (9) generated.
  • the focusing mirrors have a diameter of 30 to 50 cm, for example.
  • Both mirrors, preferably the entire beam deflection system (3) and the laser (1), are mounted on a very heavy plate (5) in order to avoid beam deflections that could occur due to ground vibrations.
  • a very heavy plate (5) for example, air-bearing granite slabs with a weight of around 4 tons can be used to mount the mirrors.
  • mountable steel structures are conceivable.
  • the two laser beams shown in FIG. 1 do not necessarily have to be in phase at the focusing point be. 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 focusing point is to be expected, so that the light yield 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. 2.
  • 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 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. After the time available for the entire process, which is less than 200 ms, 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 phototransistor 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

  • 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 Projektionsfläche, 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 reflektiert oder gestreut wird, so daß die Beobachter ein Bild sehen können. Werden zur Bilderzeugung Nebel oder Rauchwolken 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.
  • Aus der DE-A-41 28 949 ist ein Verfahren zur räumlichen Darstellung von Bildern bekannt, bei dem ein Medium verwendet wird, in dem Teilchen einer lumineszenzfähigen Substanz verteilt sind. Zwei Strahlenbündel werden in dem Medium so überlagert, daß an ihren Schnittpunkten die lumineszenzfähigen Teilchen aktiviert und zur Lichtemission gebracht werden.
  • Aus der JP-A-418 0084 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem Laserstrahlen verschiedener Wellenlängen so überlagert werden, daß an ihren Schnittpunkten die Moleküle des Mediums optisch auf ein metastabiles Energieniveau gepumpt werden. Bei der Rückkehr in den Grundzustand wird von den Molekülen Licht emittiert, so daß durch rasterartiges Verschieben der Strahlenschnittpunkte eine Folge von Leuchtpunkten erzeugt wird, die insgesamt ein räumliches Bild darstellen.
  • Bei einem aus der US-A-4 870 485 bekannten Gerät zum Erzeugen dreidimensionaler Bilder werden Teilchen von Phosphoren in einer Flüssigkeit dispergiert, die sich innerhalb einer Kammer befindet, oder solche Phosphor-Teilchen werden in einem transparenten Kunststoffkörper, einem Gel oder einem Gas suspendiert. Laserstrahlen, die über Spiegel abgelenkt werden, werden computergesteuert so durch das Medium geführt, daß an den Kreuzungspunkten eine Anregung der Phosphore stattfindet und sich so ein Bildpunkt ergibt.
  • Diese Verfahren haben den Nachteil, daß zur Bilderzeugung ein räumlich abgeschlossenes Medium verwendet werden muß, in dem eine optisch pumpbare Substanz dispergiert ist, die im sichtbaren Spektralbereich liegende Lumineszenzstrahlung liefert. Atmosphärische Luft enthält solche Substanzen nicht, so daß die Anwendung dieser Verfahren auf abgeschlossene Glasbehälter beschränkt ist.
  • Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit denen insbesondere in der Atmosphäre leuchtende Bilder erzeugt werden können, ohne daß dazu Projektionsflächen oder andere Hilfsmittel wie Nebel oder Rauch oder Medien mit optisch pumpbaren Substanzen 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 Vorrichtung 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 außerhalb oder am Rande des sichtbaren Spektralbereiches emittieren, an dem jeweils vorgesehenen Ort, wo der Lichtpunkt erscheinen soll, gebündelt werden. Entsprechende Vorrichtung 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 m 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 CO2-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 Wiederholungsfrequenz 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 Ablenkvorrichtung dargestellt. Die gesamte Steuerung wird auf die Laserstrahlenquelle (1) synchronisiert. Dazu werden aus den Laserimpulsen mit einem Triggerimpulsgenerator (8) elektrische 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 Laserstrahl impuls kann in dem Triggerimpulsgenerator ein Fototransistors eingesetzt werden, dessen Asgangssignal in einem AD-Wandler in ein digitales Signal umgeformt wird.
  • Als Speichereinheit kann beispielsweise ein Standard-Bürocomputer 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 Positioniereinheit. Zur Speicherung der X- und Y-Koordinaten des Bildes werden beispielsweise bei 16 möglichen Positionen jeweils 4 Bit benötigt. Aufgrund des Triggersignals werden die bereitliegenden 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 (9)

  1. Verfahren zum Erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen selbstleuchtenden Bildern in gasförmigen Medien,
    insbesondere in der Erdatmosphäre,
    bei dem das jeweilige Bild mit einer Folge von Lichtblitzen aufgebaut wird, die in dem gasförmigen Medium an den für den Bildaufbau vorgesehenen Bildpunkten durch Ionisation der atmosphärischen Gasteilchen mittels Fokussierung eines oder mehrerer Laserstrahlen (2) ausgelöst werden, deren Frequenz außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    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,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die einzelnen Laserstrahlen (2) nach Austritt aus dem Laser (1) zunächst in einer optischen Einrichtung (2) aufgeweitet und anschließend mit einem Fokussierungsspiegel auf den jeweils vorgesehenen Bildpunkt (9) fokussiert werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    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,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder die Fokussierungsebene der Laserstrahlen (2) schrittweise verschoben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5
    dadurch gekennzeichnet, daß
    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,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    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. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet durch
    einen oder mehrere Laser (1), bei denen die Frequenz des emittierten Lichtes außerhalb des sichtbaren Spektralbereiches liegt,
    eine 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.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
    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.
EP94920440A 1993-06-14 1994-06-09 Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von zwei- oder dreidimensionalen bildern in gasförmigen medien Expired - Lifetime EP0704085B1 (de)

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