Поліхроматичний акустооптичний лазерний пристрій

Изобретение относится к области акустооптики, а именно, к акустооптическим (АО) дефлекторам и сканирующим устройствам, и может быть использовано для создания полихроматических изображений (контурных рисунков, символов) в плоскости экрана. Известна АО лазерная сканирующая система, содержащая лазерный источник света, выполненный в виде трех лазеров с различными длинами волн, АО дефлекторы, генераторы управляющих сигналов, связанные с АО дефлекторами. Основным недостатком этого устройства является сложность совмещения световых пучков различных длин волн в области экрана для получения цветного изображения, обусловленная дисперсностью АО дефлекторов. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является полихроматический АО дефлектор (2), состоящий из полихроматического лазерного источника света (смесь Аr и Кr), дающего излучение белого цвета, трех последовательно установленных по ходу лазерного пучка АО дефлекторов, в которых распространяются ультразвуковые волны с возрастающими частотами, трех генераторов управляющих сигналов, каждый из которых электрически связан через модуляторы цветовых сигналов и усилители мощности с соответствующим АО дефлектором. Пучок света, содержащий излучение трех длин волн, проходит последовательно через три АО дефлектора, в которых возбуждаются ультразвуковые волны с возрастающими частотами, подаваемыми от соответствующих генераторов для каждого цветового канала (соответствующей длины волны). Частоты выбраны таким образом, что на выходе можно получать параллельно отклоняемые световые лучи трех цветов. Недостатком прототипа является то, что для получения параллельных пучков различных цветов необходимо подавать на АО дефлекторы различные частоты от трех независимых друг от друга генераторов управляющих сигналов, что предъявляет жесткие требования к стабильности и линейности управляющих характеристик генераторов, так как небольшое различие этих характеристик приводит к цветовым искажениям при несведении лучей. Кроме того, при сканировании в диапазоне углов возможна дифракция пучка любого цвета на ультразвуковых волнах в других дефлекторах, что проявляется в появлении повторных изображений. Недостатком прототипа является и то, что дефлекторы, включенные по предложенной схеме, работают не в оптимальном режиме. Число разрешимых положений луча N определяется по формуле: где t - быстродействие дефлектора; Df - полоса частот управляющего сигнала; D-апертура; v - скорость звука. Для получения одинакового диапазона сканирования DQ в каждом из цветовых каналов полоса частот Df должна быть различной и выбираться из условия: где l - длина волны излучения. При Df = const, D = const это приводит к тому, что число разрешимых положений N в каждом цвете различно, то есть потенциальные возможности по крайней мере двух дефлекторов реализовываться не будут, что приводит к снижению четкости изображения. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в получении качественного полихроматического изображения за счет идентичности сигнала управления в АО ячейках соответственно вертикального и горизонтального сканирования двухкоординатных АО дефлекторов, улучшения сведения пучков света различных длин волн, увеличения разрешающей способности изображения. Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве, содержащем, лазерный источник света, АО дефлекторы, генераторы управляющих сигналов, модуляторы цветовых сигналов и усилители мощности согласно изобретению лазерный источник света состоит из трех лазеров, излучающих на различных длинах волн и закрепленных с возможностью установки между соседними лазерами угла j, определяемого по Формуле: где d - расстояние между лазерами; I - расстояние от лазера до плоскости изображения, соосно с каждым из лазеров последовательно расположены и механически с ним связаны входная телескопическая система, двухкоординатный АО дефлектор, входные грани ячеек которого имеют угол наклона b, определяемый по формуле: где l о - длинаволны света в вакууме; fcp - средняя частота диапазона; nо - показатель преломления звукопровода АО ячейки, и выходная телескопическая система, коэффициент увеличения к которой определяют по формуле: где d Q - угол отклонения дифрагированного пучка на выходе телескопической системы; d f - изменение частоты управляющего сигнала, а каждый из двух генераторов управляющих сигналов соответственно вертикального и горизонтального сканирования подключен через модуляторы цветовых сигналов и усилители мощности к трем АО ячейкам соответствующих цветовых каналов. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что устройство дополнительно содержит входную и выходную телескопические системы, лазерный источник света выполнен в виде трех лазеров, излучающих на различных длинах волн, закрепленных с возможностью установки под углами, обеспечивающими совмещение пучков в плоскости изображения, причем пучок каждого цвета, в отличие от прототипа, проходит через свой двухкоординатный АО дефлектор. Кроме того, дефлекторы, отклоняющие световые пучки разных длин волн по одной координате, подключены к одному генератору управляющего сигнала; возникающее вследствие дисперсии различие углов отклонения компенсируется выполнением звукопроводов АО ячеек дефлекторов в виде призм, а различие диапазона углов отклонения - установкой на выходе каждого дефлектора телескопической системы с возможностью выбора увеличения. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что применение в качестве лазерного источника света трех лазеров известно, однако, совмещение световых пятен в плоскости изображения достигается другими методами (зеркалами, призмами) (патент США №4541694, G 02 F 1/33 от 17.09.85). Использование управляющего сигнала отклонения по трем цветам одновременно известно в аналогичных системах (АррІ.Орт., 1970, v.9, N 5, рр.1176-1179), однако, введение цветового сигнала существенно отличается - сигналы подаются на дополнительные АО модуляторы. Известно также использование АО дефлекторов, звукопроводы которых изготовлены в виде призм или параллелепипедов (см.прототип), однако, в заявляемом устройстве, в отличие от известного, где грани для световых пучков параллельны между собой и перпендикулярны проходящему пучку, скошены входные грани. Телескопические системы на выходе дефлекторов также применяют довольно широко, однако, используют систему, общую для всех пучков, а различие углов отклонения компенсируют, например, призменными системами (Appl., Ppt., 1970, v.9, N 5, pp.1176-1179), Кроме того, решение поставленной задачи известными способами, приведенными выше, например, использование одного генератора управляющего сигнала для всех цветов в случае лазерного пучка, проходящего через всё дефлекторы, либо использование отдельного генератора для каждого дефлектора приводит к необходимости введения дополнительных оптических элементов, что связано с потерями света, а также к ограничению полосы частот управляющего сигнала, что уменьшает число разрешимых положений светового пучка. Таким образом, именно при введении новых элементов в указанной связи с остальными элементами в заявляемое полихроматическое АО лазерное устройство они проявляют новое свойство, что позволяет решить поставленную задачу за счет идентичности сигнала управления в АО ячейках соответственно вертикального и горизонтального сканирования, улучшения сведения пучков света различных длин волн, увеличения разрешающей способности изображения. Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема полихроматического АО лазерного устройства. Полихроматическое АО лазерное устройство содержит лазерный источник света, состоящий из трех лазеров 1, 2 и 3, излучающих на различных длинах волн и закрепленных с возможностью установки между лазерами 1-2 и 2-3 угла, определяемого по формуле (3), что позволяет улучшить сведение пучков света различных длин волн в плоскости изображения. Соосно с каждым из лазеров последовательно расположены и механически с ним связаны входные телескопические системы 4, 5 и 6, двухкоординатные АО дефлекторы, включающие пары АО ячеек соответственно вертикального и горизонтального сканирования 7-8, 9-10 и 11-12, входные грани которых выполнены со скосом, и выходные телескопические системы 13, 14 и 15, коэффициент увеличения каждой из которых определяется по формуле (5). Кроме того, устройство содержит генераторы управляющих сигналов вертикального 16 и горизонтального 17 сканирования, электрически связанные через модуляторы цветовых сигналов 18, 19. 20 и 21, 22, 23 и усилители мощности 24, 25, 26 и 27, 28, 29 с соответствующими АО ячейками вертикального 7, 9, 11 и горизонтального 8, 10, 12 сканирования двухкоординатных дефлекторов. Такое подключение генераторов 16 и 17 обеспечивает идентичность сигналов управления в АО ячейках соответственно вертикального и горизонтального сканирования в трех цветовых каналах, т.к. каждый из генераторов является общим для соответствующих ячеек дефлекторов. Для того, чтобы выходной световой пучок на центральной частоте диапазона был параллелен падающему, переднюю грань кристалла наклоняют на угол b который определяют из следующих соображений: на центральной частоте диапазона дифрагированный световой луч ортогонален волновому вектору звука, т.е. параллелен боковой грани кристалла. Угол наклона входной грани выбирают таким образом, чтобы при направлении входного луча параллельно боковой грани кристалла угол, под которым входной луч распространяется после преломления, был равен брэгговскому углу Q на центральной частоте диапазона, т.е. Sin b = no Sin (b-Q), учитывая, что величины углов b и Q « 1,0 это приводит к выражению (4). Устройство работает следующим образом. Световые пучки от лазеров 1,2 и 3 с различными длинами, волн направляются на входные телескопические системы 4, 5 и 6, расширяющие пучки до требуемого диаметра D, который определятся быстродействием t дефлектора или числом разрешимых положений N луча согласно формуле (1). Далее пучки проходят через соответствующие АО ячейки вертикального 7, 9, 11 и горизонтального 8, 10, 12 сканирования и отклоняются на углы, пропорциональные частотам ультразвуковым волн, возбуждаемых в звукопроводах АО ячеек дефлекторов. Частоты, возбуждаемые в АО ячейках дефлекторов, подаются от общих для всех цветов управляющих генераторов 16 и 17 (для каждой из координат) через модуляторы цветовых сигналов 18, 19, 20 (координата у) и 21, 22, 23 (координата х), на которые поступают соответственно цветовому каналу R, G, В - сигналы, и усилители мощности 24, 25, 26 и 27, 28,29. Таким образом, дефлекторы всех цветов по каждой координате работают в одинаковой полосе частот Df, задаваемой общим генератором, вследствие чего число разрешимых положений N луча в каждом цвете будет одинаково. В результате на выходе двухкоординатных АО дефлекторов получают световые пучки различных цветов, отклоняющихся на углы DQД1, DQД2, DQД3, соответствующие законам управления общих задающих генераторов 16 и 17, при этом некоторая нелинейность и нестабильность, управляющих характеристик генераторов проявляется абсолютно одинаково для всех цветов и в общую цветовую картину изображения изменений не вносит. Вследствие того, что диапазон углов отклонения DQ Д. дифрагированного луча в дефлекторе в заданном диапазоне частот Df = const зависит от длины волны излучения l (см.формулу (2)), на выходе дефлекторов устанавливают выходные телескопические системы 13.14 и 15, позволяющие плавно менять увеличение для компенсации различных углов отклонения DQД1, DQД2, DQД3 в каждом цвете в соответствии с формулой (4). Т.е. угол отклонения DQ дифрагированных пучков на выходе телескопических систем в каждом цветовом канале будет одинаков. Причем оптические элементы: входные телескопические системы, АО дефлекторы и выходные телескопические системы - механически связаны с лазером в целях удобства и простоты настройки системы и стабильности ее работы. Т.о. в плоскости изображения наблюдается полное совпадение световых пучков различных цветов. Макет полихроматического лазерного устройства был выполнен следующим образом. В качестве источников излучения использовались экспериментальные лазеры на базе ЛГН-503 с мощностью излучения 2 Вт и линейно-поляризованным излучением, длина волны излучения которых составляла 0,48 мкм (синий), 0,51 мкм (зеленый) и 0,65 мкм (красный), В качестве входных и выходных телескопических систем были использованы стандартные объективы ОП-1,8 (F = 18) и ПФ-6А (F = 18-30), которые дают увеличение n = 0,6-1. Для предложенного устройства были также созданы генераторы управляющих сигналов, управляемые аналоговыми сигналами с амплитудой 0-5 В и R, G, В - сигналами такой же амплитуды в частотном диапазоне 60-100 МГц с центральной частотой 85 МГц. Генератор включает в себя два генератора, управляемых напряжением (ГУН), смеситель, широкополосный усилитель, управляемый аттенюатор. Причем при изменении управляющего напряжения частоты ГУНов изменяются в противоположные стороны, т.е. частота одного уменьшается, а другого - увеличивается. Смеситель выделяет разностную частоту в рабочем диапазоне частот. При этом можно получить в два раза больший диапазон изменения частоты, обусловленный изменением управляющего напряжения, при высокой линейности изменения частоты. Таким образом, при введении новых элементов в указанной связи с остальными элементами достигается идентичность сигнала управления в АО ячейках соответственно вертикального и горизонтального сканирования, улучшается сведение пучков света различных длин волн, увеличивается разрешительная способность изображения. Благодаря этому при полном совпадении световых пучков различных цветов получают качественное полихроматическое изображение в области экрана.