1、引言
激光演示技术是激光技术的最新发展与应用，它集激光, 精密光机, 电脑和多媒体等高新技术与一体, 广泛应用于游乐，娱乐、信息广告业。全固体激光、快速光束扫描和激光控制与图象处理等新技术的出现进一步推进了激光演示技术的发展和应用。踏入21世纪后激光演示技术促向于MINI化，简单化，家用化发展，将更精彩的激光效果引入平常百姓家。
自60年代初激光问世以来，激光技术发展讯速，应用广泛。激光演示系统是集激光、计算机和多媒体于一体的高技术产品，在计算机的控制下，经过光束变换投影仪（Projector），将五光十色、变幻莫测的激光束射向夜空，可装点城市夜空，渲染节日气氛；或投射在室内空间，呈现一派五彩缤纷、如梦如幻的景象；或投射到一定的平面（银幕、墙面、水幕）上，可根据观众和顾客的要求，利用激光电脑编程器编排节目，演示各种观众喜闻乐见的历史典故、幽默动画、商业广告等。
早在1979年我国国庆30周年庆典晚会上，我国首次采用激光进行天幕投射，那闪烁的光束，梦幻般的造型，绚丽的色彩图案，为节日增添了热烈气氛，给人留下了难忘的印像。
美国在一些重大的节日期间，常把动画片投射到两个大型显示屏幕上，计算机的程序可在贮存器中贮存约1000帧画面，用户根据需要控制和设计自己的形像。最令人惊奇的表演是在佐治亚洲石头山公园，在那里把动画射到1000英尺高的一堵大的石壁上，由计算机设计的10多种颜色的激光光束，从十几个不同的地点射向石壁，并以极快的速度更换画面，同时配以激昂的音乐，使人怦然心动，取得了神奇的效果。
2、激光演示的应用
激光演示，即以激光发生器为光源，在计算机的控制下，通过棱镜、转镜、衍射光栅、光路扫描器等各种光学设备将激光光束进行分光、转向、发散、扫描等处理，在幕体上显示出预定的效果、图案、文字或动画。
根据国际激光显示协会（ILDA：International Laser Display Association）关于激光显示工业（Laser Display Industry）的定义，激光显示的应用主要有两种方式：激光表演（Laser Show）和激光效果(Laser Effect)。激光表演以激光为主，并辅以灯光、烟火、喷泉、音乐等，主要表现激光的特殊效果。如新加坡的圣陶沙的激光音乐喷泉，成为当地旅游的一大景点。激光效果与前者相反，激光的演示只是为了辅助主题而提供 激光的特效，如用激光显示系统作舞台背景灯光。这两种方式在功能上各有侧重，但在系统原理上是一样的。
激光演示光色纯正，能量集中，系统方便地被计算机控制，能表现出应时应景的主体内容和艳丽奇特的效果魅力，其应用的场合非常广泛。如主题公园、城市建设、舞台灯光、盛大集会、迪斯科舞厅、俱乐部、展示会、太空馆……
3、激光演示原理
3.1激光空间效果产生原理：
激光演示的各种效果都是基于激光束被散射或反射的物理基础。如果让一束激光在真空中传输，除非直视激光束，让激光直接进入眼睛，否则人眼是观察不到激光束的。但是，当激光束在空气中传输时，由于空气中存在很多灰尘颗粒，这些微小颗粒会对激光束进行散射，使部分激光改变传输方向，其中一部分的激光光子进入观察者的眼睛，这是为什么我们在空气中不直视激光束也能看到激光的原因。
激光在大气中传输时的散射基本上可以分为前向散射和后向散射两种。前向散射光与激光束的传输方向相同或成小角度的夹角，而后向散射光与激光束的传输方向相反或成大于90度的夹角。由于前向散射的效率远远大与后向散射，所以当小角度迎面观看一束可见激光时觉得很亮，而当背向激光束传输方向观看同一束激光束时会觉得很暗。另外，空气中散射粒子的疏密直接影响激光的散射效率，激光穿过烟雾或水雾时，散射效率较高，所以看到的激光束较亮。但烟雾或水雾太浓，会影响激光的传输距离。
3.2激光文字图案产生的原理：
激光演示通过改变光束在空间中行进的轨迹，投射到幕布上而形成各种图案或文字。在文字或图案的线条轨迹上设定一些有次序的X－Y二维坐标点，通过高速X－Y扫描振镜，让激光束沿事先设定的坐标点，按次序高速循环扫描。因为完成一次图案扫描的时间只有几毫秒到几十毫秒，与眼睛的滞留时间相当。所以当激光束高速扫描文字或图案时，人的眼睛就能看到一幅稳定的激光文字或图案。振镜的扫描速度越快，文字或图案越稳定。如果图案上的点很多，或扫描速度不够快，一次完整的扫描所花的时间远大于眼睛的滞留时间，那么图案就会有抖动的感觉。
3.3激光动画制作的原理：
把一组动画分解成连续的静态图案，激光束连续循环地从第一幅图案扫到最后一幅，然后不断地循环扫描输出，就形成了激光动画。激光动画的原理与电视卡通的原理相同，在图片里的点在一秒内会通过振镜多次的重复从而欺骗人眼而使人看到一个图片。通常重复的频率在18-22Hz .不同的图片快速而有序的发射给人一种运动的错觉。一组完整的激光动画通常有几十到上千幅的激光线条图案组成。
4 激光演示系统的组成
激光演示系统主要包含以下几个方面（如图所示）：激光器、色彩控制器，扫描系统，微机处理组成。其中激光器、色彩控制器，扫描系统属于硬件部分，负责完成彩色激光束的产生、合成控制、轨迹扫描：微机处理属于软件部分，处理软件可以完成演示信息处理，效果预览，任务管理，及存储等。
演示系统是通过电脑上的软件进行控制的（或者内置单片机MCU）。首先，软件通过图形界面输入，或者直接读取文件，来获得演示信息。接着，系统软件对演示信息进行处理：一方面，格式化演示信息，使其符合硬件的输出格式；另一方面，对演示任务进行管理安排。经过系统软件处理后的信号可分为色彩控制信号和扫描控制信号，它们经过D/A卡转换为模拟信号或TTL信号后分别驱动色彩控制器和扫描持镜。色彩控制器调节红、绿蓝三个激光器的功率，发出三色激光，经过光学器件混合后传递到扫描振镜。软件通过控制振镜的转动，把激光通过反射扫描到演示幕布上，最后完成整个演示过程。
5、硬件部分
5.1激光器
激光器是激光演示系统的关键部件，光源的稳定性直接影响到系统的性能。所使用的激光器取决于应用场所的大小、环境亮度、演示的颜色效果。它可以分为低功率(<1 W)和高功率（1～30W）；按色彩能力来分单色（红色或蓝、绿）和彩色(红,绿,蓝三基色合成)。
目前，全半导体激光和阗导体泵浦激光器（DPSS）技术日趋成熟，被广泛应用激光演示领域。它较其它的激光器，如氩氪离子激光器、氦氖激光器、有固体倍频激光器，有突出的优点。氩氪离子激光器需要大量的冷却水，需要特殊的大容量供电电源，更换激光管的费用较高。固体激光器效率低、体积大、结构不牢固。而半导体激光器通过非线性光学技术（倍频、和频等产生绿532nm激光，结构紧凑，功耗低，效率高，操作维护简单，不需要水冷。对于红光及蓝光，现在有稳定性更高的全半导体激光器，637nnm、450nm。其转换效率更高，体积更小，寿命更长，适应大功率大屏幕激光演示的需要。
5.2、色彩控制器
激光色彩控制器用于控制彩色激光的颜色合成。在激光演示系统中，简单的色彩控制可以采用滤色片。滤色片有三种，分别对红，绿，蓝色进行过滤，通过组合这三个滤色片，可产生7种不同的颜色。色彩控制主要有两种方式，TTL调制及模拟调制。TTL调制这种色彩控制器有明显的不足。它在显示某个画面时最多只能显示7种颜色，不具备多种颜色的变化能力。模拟调制，根据三种基色合色原理，人眼所能分辨的任何颜色均可同不同配比的红、绿、蓝三色混合得到。通过电脑软件的处理，系统 将得到以RGB方式表示的图像颜色信息，颜色数字信号由D/A转换为调制电压，然后加载到模拟调制器调制三色激光光强，将红、绿、蓝三色的激光调制成合适的配比，合色之后同扫描振镜投射到屏幕上形成所期望的图像。
5.3扫描振镜
扫描振镜是控制激光光路的装置，它由X－Y两组电机和反射镜片组成。激光演示与显示器的演示原理不同的。因为光子不是带电粒子，它不像电子束那样通过磁场或电场控制，所以只能通过光的反射来进行光路的控制。电脑软件的扫描的信息分成XY轴两个方向，通过D/A卡分别边接到振镜的两个控制线，输出的电压信号控制马达转动振镜，激光经过两次镜面反射后落到屏幕上的合适位置。
激光演示的光路扫描方式，决定了它只能使用矢量扫描。矢量扫描，是同时控制XY两个垂直方向上的位置，通过绘制一系列连续的曲线而不是逐点描绘，来完成演示图文的轮廓。振镜使用的是电机马达驱动，存在机械上的局限性。振镜的转动和折返都需要一定时间，制约了其扫描速度和扫描效果。为了达到理想的显示效果，不能像显像管那样使用逐帧逐行扫描的方式，而必须使用矢量扫描的方式，才能提高扫描的速度，使扫描出来的图形达到理想的质量。
最近几年来, 人们已经开发出高速的扫描器, 扫描速度达到60000个点/秒, 因此能够演示复杂的激光动画。
6软件部分
电脑软件用于管理演示系统，除了能完成演示信息的录入和处理功能外，还能够预览演示效果，查看并管理演示任务。是激光演示系统的中心单元, 用于控制激光扫描器, 色彩合成器，激光器以及其它的周边设备。除开控制作用外, 另一个重要的功能是设计和编排激光演示节目。最简单的控制器是采用EPROM芯片储存激光演示内容, 多用于激光光束表演。
6.1信息处理
激光演示系统使用的是矢量扫描，所以图片和字符的显示都要转换成矢量的轮廓形式。矢量图的转换可惟借助ColreDraw，CAD等矢量绘图工具来产生，系统软件可以通过直接读取矢量图文件来获取演示信息。
对于文字演示，还可以通过软件编程 来获得矢量字体，然后对其进行修正和优化以适应激光演示。这种方式不借助第三方软件而完成信息处理，极大提高了系统的实用性。TrueType是一种广泛应用的矢量字体，在Windows环境下能方便地对其进行编程应用。从TrueType字体中提取出来的字体轮廓 ，是一系列连续的封闭曲线。图中以字母S为例，如果是字母O，则字体轮廓是两条封闭的曲线组成。曲线上设置了许多节点，并按顺序标上号码。通过扫描这些曲线，即可完成字符的显示。但是，用API接品函数提取出来的字库曲线是为电子屏幕显示要求设计的，不适合本系统中使用的振镜扫描方式，必须对其进行相应的算法修正，以减少失真，提高显示的效果。
演示预览窗口主要负责络用户提供预览演示图案。在激光演示文件投影到幕布上前，用户可以利用预览功能在演示拏预览窗口中观察到与投影到幕布后相近的图案效果。演示预览窗口给用户以直观的印象，方便用户对演示图像进行查看和修正。
任务管理界面通过管理任务队列，使激光演示系统能够连续执行多项演示任务，并控制每个演示任务的演示时间长度。用户还可以通过管理界面观察演示队列中的任务状态，查看执行的细节信息，实现对演示过程的监控。
德国的LASERANIMATION和美国的PANGOLIN公司开发的激光控制软件是目前国际上最流行的激光软件产品。
6.2其它接口
(1) 通过RS232接口控制激光器的功率, 在激光工作参数(电流, 电压, 水流, 水温等)不正常时, 自动关闭激光系统。
(2) "动态书写": 通过电脑键盘即时输入文字, 将它储存在音乐琴健上, 这种方式输入的文本与激光演示节目结合在一起随时进行表演。"交互控制": 通过MIDI接口将激光效果和图形储存在音乐琴键上, 操作者随心所欲地弹奏就可控制激光表演。"音乐声控表演": 激光表演与播放的音乐同步, 即由音乐的重音控制激光表演。
(3) 激光演示多媒体系统: 新型的激光电脑装有多个标准接口: SMPTE, DMX, SCSI, MIDI等。它不仅可以控制激光演示系统, 还能控制其周边设备, 如灯光/音响, 水幕/喷泉, 幻灯投影, 视频播放和电影机, 声乐装置, 烟机/风机, 屏幕/帷幕等。利用激光电脑的时钟系统, 可定时开关, 并组合其控制功能, 编排激光多媒体系统的演示运行时序。
(4) 系统网络控制: 安装MODEM, 通过通讯网络, 激光演示中心的激光电脑工作站可以对外地的激光演示系统的工作状态远程监控, 故障诊断, 激光演示软件传递
7、结论
通过软硬件的设计，彩色激光演示系统实现了演示信息的获取和处理，控制硬件设备完成彩色激光的图文演示。激光演示拥有良好的运用前景，同时也是一项正在发展进步中的科技，各方面还存在一些不足。例如，在硬件上，需要提高激光源输出功率，扫描装置的稳定性的扫描速率，以适应多种场合的演示需求。在软件上，需要这进一步丰富和加强图形处理功能，以弥补硬件的不足。系统中软件与硬件部分是相辅相成的，只有不断提高硬件水平并搭配优秀的软件，才能形成一个实用而强大的演示系统。
