激光表演系統(tǒng)概述

激光表演系統(tǒng)概述龍四維2100160110【摘要】：本文結(jié)合激光表演系統(tǒng)的工作原理以及各方面的技術(shù)特點(diǎn)，介紹了其當(dāng)前的應(yīng)用情況和發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】激光表演、振鏡、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字激光系統(tǒng)1.引言激光，光色純正，能量集中，自1958年美國科學(xué)家肖洛和湯斯發(fā)現(xiàn)至今，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生產(chǎn)、國防、科研、醫(yī)療和生活的各個(gè)領(lǐng)域。用現(xiàn)代高科技光學(xué)振鏡技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，激光可在煙霧、水幕、空氣等介質(zhì)上形成色彩鮮艷、表現(xiàn)獨(dú)特的圖形、文字、動(dòng)畫，這就是激光表演。激光表演已成為一種智能化的舞臺(tái)燈光材料，也是一種能表現(xiàn)出特殊效果的播放影視圖像的介質(zhì)。由于激光的單色性、方向性、相干性和高能量密度的特點(diǎn)，激光表演系統(tǒng)用作舞臺(tái)背景燈光，具有色彩純正、方向性強(qiáng)、光能集中，特別是通過計(jì)算機(jī)內(nèi)的程序編排，燈光的主題可應(yīng)時(shí)應(yīng)景、千變?nèi)f化，這種智能性是傳統(tǒng)舞臺(tái)燈光所不能比擬的。中央電視臺(tái)一號(hào)演播大廳的激光表演系統(tǒng)為在其中制作的節(jié)目增添了不少光輝。激光在影視領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用是激光水幕投影，即多媒體數(shù)字水幕投影，是用液晶光閥件影件將信號(hào)投影在水幕上。信號(hào)可以是計(jì)算機(jī)制作的廣告、動(dòng)畫，也可以是VCR、DVDR錄像信號(hào)，還可以是電視的視頻信號(hào)，等等。激光水幕投影顯示性能優(yōu)良，具有信息度高，容量大的特點(diǎn)。最高可達(dá)8000*8000=64M個(gè)像素。因此水幕上圖像清晰，亮度色度豐富。近幾年來，激光表演系統(tǒng)在舞臺(tái)燈光布置、娛樂場(chǎng)所和戶外顯示方面得到廣泛應(yīng)用，但是，目前激光及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用尚缺乏系統(tǒng)性的技術(shù)指導(dǎo)，從而造成客戶的誤解和應(yīng)用的浪費(fèi)，同時(shí)激光的表現(xiàn)效果也不能得到充分的展示。2.激光表演系統(tǒng)的工作原理i擰制信號(hào)…敦光光裘激托器i擰制信號(hào)…敦光光裘激托器 —匹學(xué)拎制臺(tái)蘇卜”/圖2.1激光表演系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、N臺(tái)激光器、光學(xué)控制臺(tái)和幕體組成，計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)控制下工作。計(jì)算機(jī)是整套系統(tǒng)的控制核心，產(chǎn)生兩類控制信號(hào)。一類是光路控制信號(hào)。1.控制系統(tǒng)內(nèi)N臺(tái)激光器是否出光、出光強(qiáng)弱、出光順序，使激光器要求發(fā)出光束進(jìn)入光學(xué)控制臺(tái)。2.控制光學(xué)臺(tái)內(nèi)的衍射光柵、棱鏡、轉(zhuǎn)鏡、光學(xué)掃描器等光學(xué)設(shè)備對(duì)激光光路進(jìn)行控制，如轉(zhuǎn)鏡的方向、是否經(jīng)過光柵、控制光路之間的切換等，激光光束經(jīng)過不同的光學(xué)設(shè)備，經(jīng)投射單元投射到幕體產(chǎn)生不同的演示效果。另一類控制信號(hào)是演示的圖形、圖像信號(hào)?？梢杂枚喾N軟件來制作所要演示的動(dòng)畫或圖案。常用軟件有：Coreldraw、Photoshop、Autodesk、AnimatorPRO等。由于激光演示的圖形是靠激光筆打點(diǎn)形成的，因此設(shè)計(jì)主要是其輪廓線，Coreldraw的輪廓捉捕功能、Photoshop的光路設(shè)計(jì)功能等都給設(shè)計(jì)激光表演的圖形提供了強(qiáng)大的支持。光學(xué)控制臺(tái)是激光表演系統(tǒng)中控制光路的部分，光學(xué)控制臺(tái)的主要功能：可提供光束、圖形、圖像及配合的全彩色實(shí)時(shí)控制。用于掃描圖形或動(dòng)畫的投射單元?？赏ㄟ^軟件平臺(tái)編輯任意圖形和動(dòng)畫，并經(jīng)投射后再現(xiàn)于幕體。衍射光柵提供獨(dú)立的效果要發(fā)生器，可以產(chǎn)生覆蓋整個(gè)屏幕的背景圖像。衍射鏡和遠(yuǎn)距離錐形光掃描器可產(chǎn)生彩色光束和錐形光柱。光束反射鏡可以使光束充滿某一空間。激光器是整個(gè)系統(tǒng)的光源，也是系統(tǒng)的主要投資部分。根據(jù)需要可配置不同顏色、不同功率的激光器。主要有：1?紅色激光器：氦氖激光器(HeNe,632.8nm)、氪離子激光器(Kr+,647.1nm)、半導(dǎo)體激光器(波長在630--一65Onm之間)。藍(lán)綠激光：以氬離子為主(Ar+,488nm藍(lán)色和514.5nm)。3?綠激光：摻釹釔鋁石榴石〔Nd:YAG,530nm)倍頻或半導(dǎo)體泵浦激光器。黃綠激光：溴化亞銅(CuBr)或銅蒸氣激光器。白激光：即氬氪離子混合氣體激光器。幕體是系統(tǒng)效果的表現(xiàn)載體,可以是水幕、紗幕、煙幕甚至空氣等。幕體的質(zhì)地不同,表現(xiàn)的效果也不同,各具特色。國內(nèi)外激光市場(chǎng)的現(xiàn)狀激光表演系統(tǒng)的發(fā)展歷史激光技術(shù)被用于娛樂業(yè)已經(jīng)有很長的歷史了。20多年前,歐美一些國家的視覺設(shè)計(jì)人員開始發(fā)掘激光在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。激光的物理學(xué)特性決定了其亮度高、成型效果好、顏色鮮艷等優(yōu)勢(shì),于是人們開始嘗試在舞臺(tái)、戶外廣告、媒體等方面的設(shè)計(jì)上使用激光。如圖3.1、3.2所示。隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及其他周邊設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)一步成熟,更多的激光藝術(shù)形式也慢慢浮出水面。如在未來某個(gè)時(shí)代激光電視將在市場(chǎng)上被廣泛的應(yīng)用,據(jù)悉美國已經(jīng)投資10億美元用于該項(xiàng)技術(shù)的研發(fā),相信在不久的將來會(huì)有更多的人感受到激光技術(shù)帶來的魅力。

圖3.2激光表演系統(tǒng)戶外燈光效果展示3.2我國激光表演系統(tǒng)的發(fā)展歷程從最初引進(jìn)國外大型激光設(shè)備，到國內(nèi)光電企業(yè)研制出具有專利設(shè)計(jì)的激光產(chǎn)品，從簡單步進(jìn)電機(jī)掃描光束到高速振鏡的矢量動(dòng)畫圖形掃描，我們國家的激光演示行業(yè)有了長足的進(jìn)步，特別是最近兩年全彩(RGB)激光演示系統(tǒng)的大量應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)單綠激光色彩單調(diào)的局限性，讓人們?cè)趭蕵沸蓍e的同時(shí)能充分感受到專業(yè)水準(zhǔn)“聲”、“光”、“色”的完美結(jié)合。但是，現(xiàn)階段我國娛樂工程相關(guān)行業(yè)在多媒體激光的運(yùn)用上還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，要想使激光得到更充分、更合理的運(yùn)用，還需要很多方面的努力。激光表演系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)激光管技術(shù)特點(diǎn)功率說明我們所說明的激光管功率實(shí)際上指的是激光管出光功率，而不是通俗說的機(jī)器額定功率。目前行業(yè)內(nèi)通常用“mw”（毫瓦）或“w”（瓦）來標(biāo)稱激光管出光功率大小，如20mw、lOOmw、500mw、lw等，整體耗電功率為十幾瓦到幾十瓦左右，由此，我們可以確定激光燈的使用是相當(dāng)節(jié)省能耗的。長時(shí)間以來，由于專業(yè)技術(shù)知識(shí)及設(shè)備的缺乏，人們很難真正了解激光功率本身，事實(shí)上如果不通過專業(yè)激光功率計(jì)的測(cè)量，連專家也無法目測(cè)準(zhǔn)確功率大小。以市面上比較流行的lOOmw和300mw單綠激光管為例：100mw單綠激光管普遍使用的是波長532nm調(diào)制方式，為了保證管內(nèi)足夠散熱及技術(shù)要求，我們依照慣例采用TC雙溫控原理，其特點(diǎn)就是能在制作過程當(dāng)中對(duì)LD及晶體同時(shí)進(jìn)行溫控，從而最大限度地減少激光管因溫度過高導(dǎo)致的光衰等問題，延長其預(yù)期壽命達(dá)到6000小時(shí)。如果為了降低生產(chǎn)成本而沒有采取該方式進(jìn)行溫控，即使在短期內(nèi)不出現(xiàn)明顯質(zhì)量問題，其壽命最多只能達(dá)到3000小時(shí)，從而大大提高了使用者的成本;另一種300mw單綠激光管也是比較特殊的，該激光管實(shí)際上應(yīng)采用的是LBO泵浦方式出光，實(shí)際使用壽命經(jīng)檢測(cè)可以達(dá)到6000小時(shí)以上，而采用另外一種方式KTP出光，其實(shí)際使用壽命可能只有3000小時(shí)左右。顯示亮度說明考慮到使用者對(duì)激光管顯示亮度的要求，其參量標(biāo)準(zhǔn)和波長有密切關(guān)系。目前，激光主要分為532nm（綠光）、650nm（紅光）、635nm（紅光）、473nm（藍(lán)光）等幾種，工作方式均為連續(xù)，采用的是TTL調(diào)制可選頻率。以上均為可見光源，在光學(xué)中波長越短的光源色彩越接近紫色（極端為紫外線），波長越長越接近紅色（極端為紅外線）。所以，在我們?nèi)庋鄯秶鷥?nèi)能看到的就是以上幾種光源，其中以綠光（532）最亮，紅光（635）其次，然后是紅光（650），藍(lán)光（473）最弱。在這里要說明的是，市場(chǎng)上流行的全彩、三色、四色等多彩光源成品機(jī)器出光效果的確很奪目，其實(shí)它們并不是通過單只激光管放射出來的，而是通過光學(xué)技術(shù)專家根據(jù)色度學(xué)原理進(jìn)行混色搭配，經(jīng)過不斷調(diào)試合光而成，其顏色純正程度和光源搭配比成正比，例如:黃色，即為紅光與綠光的合光;橙色，為雙紅光與單綠光的合光；青色，即為藍(lán)光與綠光的合光；紫色，即為紅光與藍(lán)光的合光；白光，即為紅光、藍(lán)光、綠光的合光等等，如表4.1所示。表4.1激光的顏色與光源配比的關(guān)系對(duì)于表4.1有以下說明：1.以上表格中的數(shù)據(jù)為不同激光管功率搭配比例；2?紅光管目前采用的是二種規(guī)格波長，即650nm和635nm，相同功率下亮度比例為3:1（后者為前者的3倍），在實(shí)際配光中可參照以上數(shù)據(jù)；另外，有一種大（粗）光斑激光器在激光工程方面應(yīng)用比較多，該管實(shí)際出光功率與同功率大小的標(biāo)準(zhǔn)激光管相同，只不過它是通過出光孔部位采用特殊光學(xué)鏡片將出光光束直徑改變，從而形成所謂“光柱”的效果。激光有兩個(gè)特點(diǎn)：亮度高，平行性好。舉個(gè)例子，用一張紙片檔住激光功率計(jì)，只留個(gè)直徑3mm左右的小孔，正午左右出去測(cè)了一下太陽光的功率，最靈敏的檔位都沒有反應(yīng)，也就是說太陽光直徑為3mm的情況下，連O.lmw都不到，而激光器則是動(dòng)輒幾十、幾百毫瓦，這是因?yàn)榧す廨^太陽光集中度高，平行性好，經(jīng)過透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直形成。由此得出結(jié)論，激光管的亮度并不是出光光斑越大亮度越高，而是由激光管功率、光斑大小、波長共同決定。在波長、功率不變的情況下，光斑越小亮度越高;在波長、光斑大小相同的情況下，功率越大亮度越高。激光表演系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)4.2.1步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3%—5%。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度就無法啟動(dòng)，并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用更多出現(xiàn)在對(duì)精度以及速度要求不高的領(lǐng)域，但是伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度性能要求更高的某些領(lǐng)域(如激光動(dòng)畫掃描)還有相對(duì)的局限性，必須為此找到可替代產(chǎn)品來滿足人們的需要。振鏡的技術(shù)特點(diǎn)在激光演示系統(tǒng)中，光學(xué)掃描的波形是一種矢量掃描，系統(tǒng)的掃描速度，決定激光圖形的穩(wěn)定性。最近幾年來，人們已經(jīng)開發(fā)出高速的掃描器，掃描速度達(dá)到5沖ps,因此，能夠演示復(fù)雜的激光動(dòng)畫，即高速振鏡。振鏡因其掃描速度快，能夠?qū)?fù)雜圖案很平穩(wěn)地通過激光束表現(xiàn)出來，因而，被大量應(yīng)用于激光表演系統(tǒng)上面;目前市面上比較流行的振鏡速度是5kpps，lOkpps,15kpps，20kpps,30kpps，單位pps，指的是激光束每秒鐘掃描在界面上的點(diǎn)數(shù)，如lOkpps指的就是每秒鐘10000個(gè)點(diǎn)，這個(gè)速度也是步進(jìn)電機(jī)無法做到的。與步進(jìn)電機(jī)相比，運(yùn)用在激光燈上面的振鏡采用的是模擬信號(hào)控制方式，光束掃描運(yùn)動(dòng)軌跡平滑流暢，跟隨性能好(不會(huì)丟步)，不用機(jī)械復(fù)位就能正常開機(jī)，體積小巧，響應(yīng)速度快。光學(xué)效果鏡的應(yīng)用光學(xué)效果鏡是目前在激光表演系統(tǒng)工程上采用比較多的配件，主要有高效反射鏡、反射光柵、微動(dòng)光柵等集中類型。高效反射鏡主要是通過鏡面鍍膜方式，將正面激光在盡量減少光束能量損耗的情況下反射出去，通過它的應(yīng)用可以將單只激光管表現(xiàn)出多束光柱組合的特殊效果。反射光柵也是一種在高效反射鏡基礎(chǔ)上改良，通過鏡面折射率周期化處理后，能夠衍射出如滿天星等特殊效果的鏡片;微動(dòng)光柵的原理和反射光柵是一樣的，只不過它比反射光柵多安裝了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承，通過電機(jī)帶動(dòng)光柵面的旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到出光束動(dòng)態(tài)、立體的效果。光學(xué)效果鏡的應(yīng)用也是最近兩年發(fā)展起來的，最初只是根據(jù)簡單的光學(xué)反射原理，將有限的激光束通過普通鏡面（玻漓）反射若干束光從而形成的類似光網(wǎng)、門簾的效果。但隨著演出質(zhì)量和觀眾欣賞水平的不斷提高，普通鏡面低反射率已經(jīng)不再適用，為此，專門針對(duì)各種不同激光源，在反射鏡片的表面采取鍍膜的方式來增加反射效率。在娛樂場(chǎng)所的實(shí)際使用當(dāng)中，它具有很好的機(jī)動(dòng)性，安裝拆卸方便簡單，在與其他激光的使用配合當(dāng)中能夠做到多角度、多方位的反射，這些是其他設(shè)備無法比擬的。數(shù)字系統(tǒng)機(jī)的應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)組合機(jī)（激光），顧名思義，即利用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)將激光演示系統(tǒng)按照客戶要求由程序人員選擇符合設(shè)計(jì)要求的機(jī)器，通過不同組合搭配并嵌入相應(yīng)音樂曲目加以編程播放。該系統(tǒng)機(jī)領(lǐng)先于其他激光表演機(jī)器的地方在于：其改變了激光獨(dú)立于舞臺(tái)演示的傳統(tǒng)觀念，通過對(duì)激光色彩、功率、位置的不同措配組合，配合舞臺(tái)其他燈具的即時(shí)使用，最大限度的發(fā)揮了激光在舞臺(tái)上的演示功能。國內(nèi)激光表演系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)5.1小型激光表演系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)我國現(xiàn)有的各類娛樂場(chǎng)所如迪廳、慢搖吧、夜總會(huì)、酒吧等，在激光燈的使用觀念上普遍存在誤區(qū)，總認(rèn)為激光燈只是類似于PAR燈、頻閃燈類型的輔助燈光，在工程的配單上也是偶爾措配少量或根本不配。事實(shí)上，造成這種情況的原因主要是早期行業(yè)人士對(duì)激光光束的表現(xiàn)效果以及現(xiàn)場(chǎng)搭配編程系統(tǒng)并不是很了解，在大量應(yīng)用掃描燈、電腦燈等大型燈具編程的同時(shí)，只是簡單地將激光光束編加進(jìn)程序，很難讓觀眾看到激光真正表現(xiàn)的效果?，F(xiàn)在，隨著大家對(duì)激光燈的應(yīng)用逐步了解認(rèn)識(shí)，激光燈在燈光音響工程方面的地位在某些方面并不亞于其他大型燈具，只是因?yàn)楦鞣N原因，也僅限用于部分大型激光娛樂工程項(xiàng)目上;事實(shí)上，中小型娛樂場(chǎng)所不論在工程數(shù)量還是銷售上都占據(jù)了該行業(yè)相當(dāng)份額，如何能廣泛將小型激光表演系統(tǒng)有針對(duì)性地推廣至該客戶群，才是現(xiàn)階段各個(gè)工程商需要考慮做的，隨著以后激光生產(chǎn)廠家的技術(shù)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品工藝的完善，將會(huì)形成一個(gè)由生產(chǎn)方提供相應(yīng)的硬件（產(chǎn)品）、軟件（方案設(shè)計(jì)，程序編輯處理等）組合搭配給當(dāng)?shù)丶缮?，按照雙方既定的銷售方式運(yùn)用其當(dāng)?shù)厍蕾Y源加以推廣的新模式。5.2大中型激光表演系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)目前，廣泛運(yùn)用激光的主要是大中型娛樂、演出場(chǎng)所，演出中多采用激光平臺(tái)或其他大功率單色、全彩激光。激光技術(shù)帶來的飛躍性的發(fā)展，使激光的色彩