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.