激光表演系统概述龙四维.docx

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激光表演系统概述龙四维

激光表演系统概述

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【摘要】：

本文结合激光表演系统的工作原理以及各方面的技术特点，介绍了其当前的应用情况和发展趋势。

【关键词】激光表演、振镜、步进电机、数字激光系统

1.引言

激光，光色纯正，能量集中，自1958年美国科学家肖洛和汤斯发现至今，其应用已经渗透到生产、国防、科研、医疗和生活的各个领域。

用现代高科技光学振镜技术和计算机控制系统，激光可在烟雾、水幕、空气等介质上形成色彩鲜艳、表现独特的图形、文字、动画，这就是激光表演。

激光表演已成为一种智能化的舞台灯光材料，也是一种能表现出特殊效果的播放影视图像的介质。

由于激光的单色性、方向性、相干性和高能量密度的特点，激光表演系统用作舞台背景灯光，具有色彩纯正、方向性强、光能集中，特别是通过计算机内的程序编排，灯光的主题可应时应景、千变万化，这种智能性是传统舞台灯光所不能比拟的。

中央电视台一号演播大厅的激光表演系统为在其中制作的节目增添了不少光辉。

激光在影视领域的另一个应用是激光水幕投影，即多媒体数字水幕投影，是用液晶光阀件影件将信号投影在水幕上。

信号可以是计算机制作的广告、动画，也可以是VCR、DVDR录像信号，还可以是电视的视频信号，等等。

激光水幕投影显示性能优良，具有信息度高，容量大的特点。

最高可达8000*8000=64M个像素。

因此水幕上图像清晰，亮度色度丰富。

近几年来，激光表演系统在舞台灯光布置、娱乐场所和户外显示方面得到广泛应用，但是，目前激光及相关技术的应用尚缺乏系统性的技术指导，从而造成客户的误解和应用的浪费，同时激光的表现效果也不能得到充分的展示。

2.激光表演系统的工作原理

图2.1激光表演系统示意图

系统由计算机、N台激光器、光学控制台和幕体组成，计算机的实时控制下工作。

计算机是整套系统的控制核心，产生两类控制信号。

一类是光路控制信号。

1.控制系统内N台激光器是否出光、出光强弱、出光顺序，使激光器要求发出光束进入光学控制台。

2.控制光学台内的衍射光栅、棱镜、转镜、光学扫描器等光学设备对激光光路进行控制，如转镜的方向、是否经过光栅、控制光路之间的切换等，激光光束经过不同的光学设备，经投射单元投射到幕体产生不同的演示效果。

另一类控制信号是演示的图形、图像信号。

可以用多种软件来制作所要演示的动画或图案。

常用软件有：

Coreldraw、Photoshop、Autodesk、AnimatorPRO等。

由于激光演示的图形是靠激光笔打点形成的，因此设计主要是其轮廓线，Coreldraw的轮廓捉捕功能、Photoshop的光路设计功能等都给设计激光表演的图形提供了强大的支持。

光学控制台是激光表演系统中控制光路的部分，光学控制台的主要功能：

1.可提供光束、图形、图像及配合的全彩色实时控制。

2.用于扫描图形或动画的投射单元。

可通过软件平台编辑任意图形和动画，并经投射后再现于幕体。

3.衍射光栅提供独立的效果要发生器，可以产生覆盖整个屏幕的背景图像。

4.衍射镜和远距离锥形光扫描器可产生彩色光束和锥形光柱。

5.光束反射镜可以使光束充满某一空间。

激光器是整个系统的光源，也是系统的主要投资部分。

根据需要可配置不同颜色、不同功率的激光器。

主要有：

1.红色激光器：

氦氖激光器（HeNe,632.8nm）、氪离子激光器（Kr+,647.1nm）、半导体激光器（波长在630--一65Onm之间）。

2.蓝绿激光:

以氩离子为主（Ar+,488nm蓝色和514.5nm）。

3.绿激光：

掺钕钇铝石榴石〔Nd:

YAG，530nm）倍频或半导体泵浦激光器。

4.黄绿激光：

溴化亚铜（CuBr）或铜蒸气激光器。

5.白激光：

即氩氪离子混合气体激光器。

幕体是系统效果的表现载体，可以是水幕、纱幕、烟幕甚至空气等。

幕体的质地不同，表现的效果也不同，各具特色。

3.国内外激光市场的现状

3.1激光表演系统的发展历史

激光技术被用于娱乐业已经有很长的历史了。

20多年前，欧美一些国家的视觉设计人员开始发掘激光在娱乐领域的应用潜力。

激光的物理学特性决定了其亮度高、成型效果好、颜色鲜艳等优势，于是人们开始尝试在舞台、户外广告、媒体等方面的设计上使用激光。

如图3.1、3.2所示。

随着激光技术的进一步发展以及其他周边设备和技术的进一步成熟，更多的激光艺术形式也慢慢浮出水面。

如在未来某个时代激光电视将在市场上被广泛的应用，据悉美国已经投资10亿美元用于该项技术的研发，相信在不久的将来会有更多的人感受到激光技术带来的魅力。

图3.1激光表演系统户外文字展示

图3.2激光表演系统户外灯光效果展示

3.2我国激光表演系统的发展历程

从最初引进国外大型激光设备，到国内光电企业研制出具有专利设计的激光产品，从简单步进电机扫描光束到高速振镜的矢量动画图形扫描，我们国家的激光演示行业有了长足的进步，特别是最近两年全彩（RGB）激光演示系统的大量应用，突破了传统单绿激光色彩单调的局限性，让人们在娱乐休闲的同时能充分感受到专业水准“声”、“光”、“色”的完美结合。

但是，现阶段我国娱乐工程相关行业在多媒体激光的运用上还缺乏足够的认识，要想使激光得到更充分、更合理的运用，还需要很多方面的努力。

4.激光表演系统的技术特点

4.1激光管技术特点

4.1.1功率说明

我们所说明的激光管功率实际上指的是激光管出光功率，而不是通俗说的机器额定功率。

目前行业内通常用“mw”（毫瓦）或“w”（瓦）来标称激光管出光功率大小，如20mw、100mw、500mw、lw等，整体耗电功率为十几瓦到几十瓦左右，由此，我们可以确定激光灯的使用是相当节省能耗的。

长时间以来，由于专业技术知识及设备的缺乏，人们很难真正了解激光功率本身，事实上如果不通过专业激光功率计的测量，连专家也无法目测准确功率大小。

以市面上比较流行的100mw和300mw单绿激光管为例:

100mw单绿激光管普遍使用的是波长532nm调制方式，为了保证管内足够散热及技术要求，我们依照惯例采用TC双温控原理，其特点就是能在制作过程当中对LD及晶体同时进行温控，从而最大限度地减少激光管因温度过高导致的光衰等问题，延长其预期寿命达到6000小时。

如果为了降低生产成本而没有采取该方式进行温控，即使在短期内不出现明显质量问题，其寿命最多只能达到3000小时，从而大大提高了使用者的成本;另一种300mw单绿激光管也是比较特殊的，该激光管实际上应采用的是LBO泵浦方式出光，实际使用寿命经检测可以达到6000小时以上，而采用另外一种方式KTP出光，其实际使用寿命可能只有3000小时左右。

4.1.2显示亮度说明

考虑到使用者对激光管显示亮度的要求，其参量标准和波长有密切关系。

目前，激光主要分为532nm（绿光）、650nm（红光）、635nm（红光）、473nm（蓝光）等几种，工作方式均为连续，采用的是TTL调制可选频率。

以上均为可见光源，在光学中波长越短的光源色彩越接近紫色（极端为紫外线），波长越长越接近红色（极端为红外线）。

所以，在我们肉眼范围内能看到的就是以上几种光源，其中以绿光（532）最亮，红光（635）其次，然后是红光（650），蓝光（473）最弱。

在这里要说明的是，市场上流行的全彩、三色、四色等多彩光源成品机器出光效果的确很夺目，其实它们并不是通过单只激光管放射出来的，而是通过光学技术专家根据色度学原理进行混色搭配，经过不断调试合光而成，其颜色纯正程度和光源搭配比成正比，例如:

黄色，即为红光与绿光的合光;橙色，为双红光与单绿光的合光；青色，即为蓝光与绿光的合光；紫色，即为红光与蓝光的合光；白光，即为红光、蓝光、绿光的合光等等，如表4.1所示。

表4.1激光的颜色与光源配比的关系

对于表4.1有以下说明：

1.以上表格中的数据为不同激光管功率搭配比例；2.红光管目前采用的是二种规格波长，即650nm和635nm，相同功率下亮度比例为3:

1（后者为前者的3倍），在实际配光中可参照以上数据；另外，有一种大（粗）光斑激光器在激光工程方面应用比较多，该管实际出光功率与同功率大小的标准激光管相同，只不过它是通过出光孔部位采用特殊光学镜片将出光光束直径改变，从而形成所谓“光柱”的效果。

激光有两个特点：

亮度高，平行性好。

举个例子，用一张纸片档住激光功率计，只留个直径3mm左右的小孔，正午左右出去测了一下太阳光的功率，最灵敏的档位都没有反应，也就是说太阳光直径为3mm的情况下，连0.1mw都不到，而激光器则是动辄几十、几百毫瓦，这是因为激光较太阳光集中度高，平行性好，经过透镜扩束准直形成。

由此得出结论，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、波长共同决定。

在波长、功率不变的情况下，光斑越小亮度越高;在波长、光斑大小相同的情况下，功率越大亮度越高。

4.2激光表演系统的控制系统的技术特点

4.2.1步进电机的技术特点

（l）一般步进电机的精度为步进角的3%一5%。

（2）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

（3）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。

步进电机的应用更多出现在对精度以及速度要求不高的领域，但是伴随着不同的数字化技术的发展，在对步进电机的速度性能要求更高的某些领域（如激光动画扫描）还有相对的局限性，必须为此找到可替代产品来满足人们的需要。

4.2.2振镜的技术特点

在激光演示系统中，光学扫描的波形是一种矢量扫描，系统的扫描速度，决定激光图形的稳定性。

最近几年来，人们已经开发出高速的扫描器，扫描速度达到5冲ps，因此，能够演示复杂的激光动画，即高速振镜。

振镜因其扫描速度快，能够将复杂图案很平稳地通过激光束表现出来，因而，被大量应用于激光表演系统上面;目前市面上比较流行的振镜速度是5kpps，10kpps，15kpps，20kpps，30kpps，单位pps，指的是激光束每秒钟扫描在界面上的点数，如10kpps指的就是每秒钟10000个点,这个速度也是步进电机无法做到的。

与步进电机相比，运用在激光灯上面的振镜采用的是模拟信号控制方式，光束扫描运动轨迹平滑流畅，跟随性能好（不会丢步），不用机械复位就能正常开机，体积小巧，响应速度快。

4.3光学效果镜的应用

光学效果镜是目前在激光表演系统工程上采用比较多的配件，主要有高效反射镜、反射光栅、微动光栅等集中类型。

高效反射镜主要是通过镜面镀膜方式，将正面激光在尽量减少光束能量损耗的情况下反射出去，通过它的应用可以将单只激光管表现出多束光柱组合的特殊效果。

反射光栅也是一种在高效反射镜基础上改良，通过镜面折射率周期化处理后，能够衍射出如满天星等特殊效果的镜片;微动光栅的原理和反射光栅是一样的，只不过它比反射光栅多安装了一个转动轴承，通过电机带动光栅面的旋转从而达到出光束动态、立体的效果。

光学效果镜的应用也是最近两年发展起来的，最初只是根据简单的光学反射原理，将有限的激光束通过普通镜面（玻漓）反射若干束光从而形成的类似光网、门帘的效果。

但随着演出质量和观众欣赏水平的不断提高，普通镜面低反射率已经不再适用，为此，专门针对各种不同激光源，在反射镜片的表面采取镀膜的方式来增加反射效率。

在娱乐场所的实际使用当中，它具有很好的机动性，安装拆卸方便简单，在与其他激光的使用配合当中能够做到多角度、多方位的反射，这些是其他设备无法比拟的。

4.4数字系统机的应用

数字系统组合机（激光），顾名思义，即利用现代数字化技术将激光演示系统按照客户要求由程序人员选择符合设计要求的机器，通过不同组合搭配并嵌入相应音乐曲目加以编程播放。

该系统机领先于其他激光表演机器的地方在于：

其改变了激光独立于舞台演示的传统观念，通过对激光色彩、功率、位置的不同措配组合，配合舞台其他灯具的即时使用，最大限度的发挥了激光在舞台上的演示功能。

5.国内激光表演系统的发展趋势

5.1小型激光表演系统的发展趋势

我国现有的各类娱乐场所如迪厅、慢摇吧、夜总会、酒吧等，在激光灯的使用观念上普遍存在误区，总认为激光灯只是类似于PAR灯、频闪灯类型的辅助灯光，在工程的配单上也是偶尔措配少量或根本不配。

事实上，造成这种情况的原因主要是早期行业人士对激光光束的表现效果以及现场搭配编程系统并不是很了解，在大量应用扫描灯、电脑灯等大型灯具编程的同时，只是简单地将激光光束编加进程序，很难让观众看到激光真正表现的效果。

现在，随着大家对激光灯的应用逐步了解认识，激光灯在灯光音响工程方面的地位在某些方面并不亚于其他大型灯具，只是因为各种原因，也仅限用于部分大型激光娱乐工程项目上;事实上，中小型娱乐场所不论在工程数量还是销售上都占据了该行业相当份额，如何能广泛将小型激光表演系统有针对性地推广至该客户群，才是现阶段各个工程商需要考虑做的，随着以后激光生产厂家的技术不断进步，产品工艺的完善，将会形成一个由生产方提供相应的硬件（产品）、软件（方案设计，程序编辑处理等）组合搭配给当地集成商，按照双方既定的销售方式运用其当地渠道资源加以推广的新模式。

5.2大中型激光表演系统的发展趋势

目前，广泛运用激光的主要是大中型娱乐、演出场所，演出中多采用激光平台或其他大功率单色、全彩激光。

激光技术带来的飞跃性的发展，使激光的色彩从单一的绿色、红色等发展到可呈现更多的色彩，一些艺术家们开始在环境设计领域内使用激光，水幕的出现使激光在人造景观方面更是大显身手。

在激烈的行业竞争面前，我们清楚地认识到，如果要让激光表演在娱乐行业的应用能够进一步得到发展，并不能一味追求大型、高功率。

我们一方面要“追新”，通过激光类产品的软硬技术改革不断创新，生产出更多更好符合市场需求的产品;另一方面要“求实”，即通过实际对现场应用环境条件分析，结合现有产品各项功能组合搭配并加以编程，在力求达到“光、声、色”和谐一致的氛围中将激光效果发挥到极致。

6.创新与改进方向

当前激光表演系统主要解决问题在于体积、功率以及造价成本。

要得到高功率的激光器体积比较大，不方便移动和携带，而且对于运输要求也比较高，模块受震动影响可能影响出光效果。

对于效果比较好的激光表演系统价格非常昂贵。

因此，能够购买的用户受到很大的限制。

此外，在激光表演推广和宣传方面也还有许多不足，许多机构还不太熟悉和认可这种新型的表演系统。

若能开发出更好、更便宜的激光器，而且缩小其体积，相信其市场非常可观。

7.参考文献：

1.杨菲，激光表演系统的特点，深圳大普激光科技有限公司，灯光技术；

2.陆琼，激光表演与舞台影视，JOURNAL；

3.王京申，激光显示技术和PANGOLIN激光表演系统简介；激光杂志；

4.陆琼，激光显示系统的设计与实现，艺术科技；

5.王宪涛，朱健强，激光演示系统在夜景照明工程中的应用，照明工程学报；