專利名稱：產(chǎn)生至少三個不同波長的特別用于顯示彩色圖像的光束的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種方法，這種方法至少產(chǎn)生三個波長不同的光束，特別用于顯示彩色圖像。其中一個光束波長最長，一個光束波長最短。在本方法中使用一個OPO和另外的如產(chǎn)生高次諧波的非線性光元件或者頻率和混頻器和/或頻率差混頻器，從OPO和/或者主光束的一個信號射線和/或空閑(Idler)射線中得到上述三個光束，從上述主光束中導出激發(fā)OPO的射線。
另外本發(fā)明涉及一種設備，這種設備至少產(chǎn)生三個波長不同的光束，特別用于顯示彩色圖像。其中一個光束波長最長，一個光束波長最短。該設備具有一個激光器、一個OPO以及一個非線性光元件。上述激光器產(chǎn)生一個主光束。借助于主光束的部分光束激發(fā)上述OPO后，OPO產(chǎn)生一個信號射線和/或者空閑射線。在上述非線性光元件中導出另一個光束、空閑射線和/或者信號射線，并且從中可以波長最長和最短的光束可以輸出耦合。
在下面當使用“部分光束”概念時，因此不僅指一個借助于電子束分裂器分離光束，而且還是這樣的一個光束，該光束在非線性晶體中作為被激發(fā)射線的不被轉(zhuǎn)換的部分產(chǎn)生和析出。
例如在DE195 04 047C1和WO96/08116中公開了所說方式的設備。盡管這種現(xiàn)有技術唯一涉及產(chǎn)生在一個彩色視頻系統(tǒng)中使用的紅、綠和藍射線，但這種技術也可應用在印刷技術中，其中根據(jù)人對彩色敏感度的不同能夠不定的選擇波長，在這種方式的應用中，激光器的色彩選擇基本上和曝光膠片的靈敏度或者將被印刷的表面相聯(lián)系。另外這種技術不被三種色彩限制，即不被三個波長不同的光束限制，那么如今高質(zhì)量的彩色圖像例如藝術印刷一般多于三種顏色在多色彩或者六色印刷中制造。
如果在另一個領域如印刷工業(yè)中能夠使用該技術，那么這里基本上將考慮激光視頻技術如在DE43 06 797C1中公開的技術。其中一般僅使用顏色為紅、綠和藍的三個激光束。在這種方式的應用中，波長最短的光束是藍色的，波長最長的光束是紅色的。
在目前的激光技術狀態(tài)中，有下面的困難使用最佳性能價格比的效率足夠高的激光器，在這種情況下產(chǎn)生必需的波長最短的藍色光束。
在DE195 04 047C1和WO96/08116中，為了減小用于激光視頻投影的費用，建議借助于非線性激光器從一個唯一的紅外激光器中得到所有波長不同的用于色彩紅、綠和藍的光束。這時首先使用一個下面稱作OPO的光參數(shù)振蕩器，如在DE42 19 169A1中公開的OPO。在這樣一個OPO中，一個激發(fā)光束被導入一個非線性晶體中。光的非線性導致除了激發(fā)射線外，按晶體的取向和/或者溫度和/或者激發(fā)射線的波長，可以得到兩個另外的頻率不同的射線，信號射線和空閑射線。
根據(jù)開始時提到的現(xiàn)有技術，于是信號射線和空閑射線通過頻率累加或者構成高次諧波，通過另外非線性的光元件，混合到具有適合于激光投影的波長的三個光束中。特別是為了有效的產(chǎn)生藍色和紅色光束，這時附加使用綠色激光射線的一個部分光束，藍色和紅色光束不但被稱作具有最短波長而且還具有最長波長的光束。
對于OPO的特定技術，混頻和產(chǎn)生高次諧波特別參閱所提到的現(xiàn)有技術和其中提到的印刷物。
為了實現(xiàn)這種技術，首先WO96/08116是有用的，其中說明了使用OPO產(chǎn)生三個不同波長的光束的不同的可能性。這個印刷物另外包括一個用于OPO晶體材料選擇表、OPO晶體、信號射線或者空閑射線的可能波長，或者被考慮的物理參數(shù)、必需的溫度控制精度、工作溫度以及晶體的切割方向和相類似的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)允許專業(yè)人員使用必需的控制設備和燈絲構造相應的OPO。
然而在仔細閱讀這個表時，顯示了用于彩色顯示的實際激光系統(tǒng)必需考慮一個折衷的方案?；蛘弑匦枰粋€高的溫度控制精度，部分的必需在比室溫高的溫度下操作晶體，或者顯示了光束的波長在遠紅外線范圍或者紫外線范圍內(nèi)的可能性。在遠紅外線范圍或者紫外線范圍內(nèi)，在大量給出的晶體中，僅期望一個小的透明度，這意味著晶體部分的吸收激光能量，這附加的使相位匹配和因此用于必要的控制精度的溫度穩(wěn)定變得困難，以及導致可用于視頻投影的光束強度降低，即降低了效率。該吸收可以如討論中所說明的意外損害該晶體。
如果晶體在一個相對于室溫被提高的工作溫度下使用，必須在接通后，首先加熱，所以在較長的時間后，首先對于一個視頻系統(tǒng)的按規(guī)定操作可能有一個足夠高的穩(wěn)定性。這個啟動時間可以通過較高的加熱功率和較好的控制來縮小，然而這將必需提高電費用。
因此本發(fā)明的任務是建立用于現(xiàn)有技術中方法的設備的一個替代方案，這包括借助于OPO和另外非線性光元件產(chǎn)生若干個波長不同的光束的系統(tǒng)的優(yōu)點，然而它允許進一步降低軸線解決方案的費用，并且為了高能量利用的彩色圖像顯示，對于光束可能有一個高的效率。
從這種類型的方法出發(fā)，通過下面方法解決該任務從主光束出發(fā)，至少分離激發(fā)OPO的第一部分光束，根據(jù)和主光束的另一個部分光束的倍頻和/或者混頻，在排除另一個作為波長最短和最長的光束部分為了圖像顯示產(chǎn)生的光束的部分的情況下，從OPO的信號射線和/或者空閑射線中得到不僅波長最長的光束而且波長最短的光束。
在具有三個用于視頻投影的光束的例子中的傳輸意味著在本發(fā)明中，與現(xiàn)有技術中產(chǎn)生紅和藍光束的解決方案相反，沒有采用和一個綠色光束的頻率混頻。代替這種情況，為和信號射線和/或者空閑射線混合使用的光束具有統(tǒng)一頻率，如紅外線光束，使用該光束激發(fā)OPO。根據(jù)這些情況可以象稍候根據(jù)例子和計算所指出的如下選擇在產(chǎn)生用于彩色顯示的光束的最小的頻率它出現(xiàn)在近紅外區(qū)的范圍內(nèi)特別在波長小于2000nm的情況下。
在本發(fā)明中，基本上通過波長最大和最小的光束確定用于混合的部分射線的這個頻率，也就是各個極端情況，因此和信號射線和空閑射線或者和一個從這些信號中通過倍頻得到的光束頻率混合能夠選擇在本發(fā)明中使用的光束，該光束用于產(chǎn)生用于彩色顯示的光束，選擇的光束基本上位于可見的范圍內(nèi)，該范圍可能向下接近近紅外區(qū)范圍。對于選擇非線性光學晶體的材料，這具有基本的優(yōu)點，因為僅必需一個窄的被限制的頻譜范圍，在這個范圍內(nèi)，這種晶體一般是透明的。這意味著對于一個軸向的解決方案，在較大范圍內(nèi)選擇適合的具有微小吸收損失的晶體。因此可能特別由于吸收和相位失配減小了晶體升溫，這另外導致小的調(diào)節(jié)費用。
令人驚奇的指出了在根據(jù)本發(fā)明的解決方案的實際實施例中，基本上減小了不是必需的UV分量。除了對于波長最短的光束因此可能較高的效率，也就是在激光視頻系統(tǒng)中，對于藍色光束，這具有下面的優(yōu)點延長了在一個執(zhí)行這個方法的設備的范圍內(nèi)光學元件的工作壽命，因為通過UV輻射減小了這個光學元件受損的可能性。根據(jù)這些原因，降低了這種圖像生成系統(tǒng)的維護需要。
從中還得出另外的優(yōu)點綠色射線，也就是除了波長最短和最長的光束用于彩色顯示的另一個光束，根本不用于產(chǎn)生波長最長和最短的光束。因此在根據(jù)現(xiàn)有技術的實施例中，對于彩色顯示的激光束的功率得出一個基本上較高的穩(wěn)定度，其中為了頻率混合使用綠色光束。最后綠色光束的不穩(wěn)定性直接作用到藍色和紅色光束，因此在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中，這里一個基本上較高的調(diào)節(jié)費用原則上是必需的。因此基本上降低了費用。
在本發(fā)明優(yōu)選的另外設計中，除了用于彩色圖像顯示的波長最短和最長的光束中任一個外，另外通過倍頻從主光束中或者主光束的一部分中至少得到另一個光束。
這具有優(yōu)點根據(jù)這種措施，使用一個唯一的激光器盡可能多地產(chǎn)生用于彩色圖像顯示的至少三個光束。這個優(yōu)點特別在三個光束中象在所謂的激光視頻投影系統(tǒng)中是顯然的，因為根據(jù)這個另外設計，使用最小的費用得到所有三個光束。
特別的是，在具有主色紅、綠和藍的這種方式的視頻投影系統(tǒng)中，通過倍頻產(chǎn)生綠色光束。因此的波長位于500nm的數(shù)量級上的綠色光束，在頻率加倍中確定對于主光束的波長大約為1000nm在三倍頻中大約為1500nm。這意味著當倍頻不是太高和因此相應高的效率時，在每種情況下確定波長小于2000nm，因此根據(jù)這個另外設計，對于執(zhí)行該方法的設備確定一個窄的頻譜范圍，窄的頻譜范圍將帶來在因此可能選擇具有小的透明頻譜范圍的晶體中上面已經(jīng)提到的優(yōu)點。
在另外的優(yōu)選的另外設計中，用于倍頻的主光束通過一個非線性光學晶體，從這個光學晶體取得一個具有激發(fā)OPO的主光束頻率的光束以及具有加倍頻率的作為另一個產(chǎn)生圖像的光束的光束。
這種另外設計涉及一個特別有效的設計，用于得到例中提到的所謂的綠色光束。首先對于主光束的這個另外設計被限制在綠色光束的一般頻率上，也就是大約1000nm的主光束的波長，這特別導致頻譜范圍的一個特別有效的壓縮，其中OPO將工作。第二點，激發(fā)OPO的主光束同樣從用于頻率加倍的晶體，因此可以放棄將主光束分為不同部分光束的附加的分鏡。以優(yōu)選的方式同樣減小了費用。因此另外為了產(chǎn)生至少三個光束使用主光束的光功率的一個最大分量，因此給出彩色圖像顯示的高效率。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選的另外設計中，在不需要和空閑射線混合的情況下，一般從OPO的信號光束和主光束的一個部分光束或者這個主光束的高次諧波中產(chǎn)生波長最長和最短的光束。
在一個OPO中，信號射線和空閑射線的頻率和根據(jù)光子能量守恒和被激發(fā)射線的頻率相等。因此在具有一個位于遠紅外區(qū)內(nèi)的空閑射線的方法中，信號射線此外位于近紅外區(qū)內(nèi)，如果不是位于可見范圍內(nèi)。因此對于產(chǎn)生波長最短和最長的光束，為了接下來的頻率混合，僅必需一個小的頻譜范圍，為了選擇非線性光學晶體和因此有條件具有以上已經(jīng)討論的優(yōu)點，這時特別有效的。
在一個位于遠紅外區(qū)內(nèi)的空閑射線中，這種另外設計也是特別優(yōu)選的，因為為了生成彩色這不是必須使用的。
對于根據(jù)設計的設備，通過下面方法解決這個任務不僅另外的光束而且為激發(fā)OPO提供的光束時主光束的部分光束，并且不僅波長最短的光束而且波長最長的那一個光束可以從具有非線性光學元件的設備中產(chǎn)生，在不需要借助于除了用于圖像顯示的波長最長和最短的光束外的其他的光束的情況下，唯一的從另外的光束、信號射線、空閑射線和/或它們的高次諧波產(chǎn)生。
在這個設備中，借助于一個包括一個非線性光學元件的設備執(zhí)行本方法，象它在現(xiàn)有技術中類似公開的。在那說明的對于這種設備的結(jié)構根據(jù)它的簡單同樣意味著借助于本發(fā)明，為了產(chǎn)生至少三個用于彩色圖像顯示的光束，一個軸向的設備是可能的。
在下面的設備的另外設計中，關于本發(fā)明同樣實現(xiàn)本發(fā)明的另外設計上面提到的優(yōu)點，其中-提供一個非線性光學晶體，主光束的另外一個部分光束或者主光束自身射入這個晶體，并且，通過這個晶體的非線性光學特性產(chǎn)生的光束從這個光學晶體導入一個波長選擇濾波器，使用這個濾波器，可以濾除除了波長最長和最短的光束之外用于彩色圖像顯示的另一個光束；-另外借助于這個濾波器或者另一個濾波器，可以從非線性光學元件中取得另一個光束，這個光束作為激發(fā)OPO的部分光束和/或者作為產(chǎn)生波長最短或者最長光束的部分光束，被導入包括非線性光學元件的設備；-和/或者OPO具有一個晶體，使用這個晶體，可以產(chǎn)生一個紅外空閑射線，并且除了OPO的信號射線，主光束的一個部分光束被導入具有非線性光學元件的設備。
在本發(fā)明的另一個優(yōu)選的另外設計中，激光器發(fā)射波長在1020至1080nm之間的光。根據(jù)激光器的這個確定的波長，對于在設備中使用的非線性光學晶體可能有一個特別窄的頻譜范圍，這引用了上述的優(yōu)點，這優(yōu)點關于材料選擇以及特別關于晶體的透明度和因此被縮小的調(diào)節(jié)費用。另外還指出使用一個這個波長的激光器，能夠以適當?shù)姆椒ㄌ貏e小的費用產(chǎn)生用于一個視頻投影系統(tǒng)的所有三個顏色，這個系統(tǒng)用于顯示所有通過不同視頻標準可能的顏色。
本發(fā)明的下面的另外設計首先研究對于在設備中使用的具有非線性光學元件設備花費小的設計。
在這種方式的第一個優(yōu)選的設計中，在包括非線性光學元件的設備的范圍內(nèi)，提供第一個和混頻器，首先OPO信號射線的部分光束以及主光束的一個部分光束被導入這個和混頻器，此后，從這個和混頻器中取得波長最長的光束。
因此使用小的費用、較高的效率和簡單的方法通過一個非線性光學晶體產(chǎn)生波長最長的光束。
在本發(fā)明的另外的優(yōu)選的實施例中，在具有非線性光學元件的設備中提供第二個和混頻器，波長最長的光束的一個部分光束以及另一個從信號射線和/或空閑射線或者它們的高次諧波中得到的部分光束被導入這個和混頻器，并且在這個混頻器的輸出一側(cè)，可以取得波長最短的光束。
這里關于波長最短的光束，在顏色藍的例子中，僅唯一的和混頻器基本上是必需的。但是這里得出兩個可能性或者信號光束的一個部分光束被導入第二個和混頻器或者它的高次諧波被導入第二個和混頻器。在第一個可能性中，根據(jù)較小數(shù)目的光學元件，費用是較低的。
在第二個可能性中，更確切的說為了產(chǎn)生高次諧波使用另外的非線性晶體，盡管這樣，如果通過這種結(jié)構提高效率，那么因此減小費用。
下面的兩個另外設計中以優(yōu)選的方法使用最后的可能性，其中頻率被加倍的空閑射線和頻率被加倍的信號射線被用于取得波長最短的光束。
在本發(fā)明的第一個實施例中，使用一個倍頻器，至少空閑射線的一個部分射線被射入這個倍頻器，并且通過倍頻器頻率加倍得到的光束被導入第二個和混頻器。這時波長最長的光束或者它的一部分輸入和混頻器。
在本發(fā)明的第二個與此相關的優(yōu)選的另外設計中，提供對信號射線頻率加倍的倍頻器和第二個和混頻器，通過倍頻器頻率加倍得到的信號射線以及主光束的一個部分光束被導入第二個和混頻器，并且從這第二個和混頻器中取得波長最短的光束。
象在本發(fā)明的已經(jīng)提到的另外設計中表明的，另外對主光束、信號射線或者波長最長的光束例如視頻系統(tǒng)中的紅色再次劃分為部分光束，使用這種方法對這進行處理。這種方式的射線分配例如可以借助于部分允許通過的鏡子來進行，或者通過下面的方法一個從非線性光學元件輸出的確定的部分光束在經(jīng)過低于適合角度的頻譜分解后輸出耦合。對于后一個例子，關于這點，被稱作從OPO出現(xiàn)的具有主光束頻率的部分光束，為了在具有非線性光學元件的設備中混合，可以作為主光束的部分光束使用了上述部分光束。特別當它們從光學非線性晶體中一起離開時，各個光束可以分別被適合的二色鏡分開。
不依賴于如光束的分配，假設正確計算分量因數(shù)，在較小的費用下可以提高設備的效率。關于這點，在本發(fā)明優(yōu)選的另外設計中，提供了在分為部分光束時，在混合彩色圖像顯示的三個光束顯示時，對于顯示白色的最大功率的各個分量因數(shù)。然后最佳設計彩色顯示的激光器功率。
在這個另外設計中，根據(jù)專業(yè)人員都熟悉的極值確定分量因數(shù)。因此對于設備的任一個結(jié)構，在選擇非線性光學元件后，在混合至少三個光束時，列出一個用于顯示白色的最大功率的一個方程，其中包括分量因數(shù)作為參數(shù)。在根據(jù)這個參數(shù)和置零推導這個方程后，在已經(jīng)公開的方法中得出一個方程組，為了確定極值，對于最佳的參數(shù)解這個方程組。
除了這種方式的分析優(yōu)選方法，對于這種優(yōu)選的分量因數(shù)，今后慣用的使用計算機的優(yōu)化程序是優(yōu)選的。如此得到的用于分配光束的分量因數(shù)通過這種設備的參數(shù)計算導致光束對于在圖像顯示中工作的特別高的可使用的效率。
下面將根據(jù)附圖示例性的詳細說明根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的設備。圖中

圖1一個彩色顯示的設備示意圖；圖2詳細說明本發(fā)明的一個實施例的示意圖；圖3至圖5產(chǎn)生用于一個激光視頻系統(tǒng)的波長最短和最長的光束的不同的實施例；圖6用于可以在一個視頻投影系統(tǒng)中使用的設備的主光束的有效部分的一個例子。
如果像已經(jīng)提到的本發(fā)明可以應用在印刷技術中，那么下面主要說明用于視頻設備的例子，其中僅使用三個光束。一般選擇具有紅、綠和藍的光束。這時藍色光束是波長最短的光束，紅色光束是波長最長的光束。包括綠色光束，存在著為了彩色圖像顯示的三個光束的一個其他的、另外的光束。這個另外的光束根據(jù)現(xiàn)有技術一般用于產(chǎn)生紅和藍的的光束。在本發(fā)明中這不是必需和現(xiàn)有技術有區(qū)別，象下面所表明的。
根據(jù)圖1將首先說明一個視頻設備的原理。為了顯示單色的部分圖像，使用三個激光器10、20、30，一般通過激光器波長，在CIE圖表中的頻譜曲線圖中對應著紅色、綠色和藍色。這些由激光器10、20、30發(fā)出的激光束使用調(diào)制器12、22、32使用各個色彩強度幅度調(diào)制，它們適合于分別在屏幕上說明這些色彩的將被照亮的像素。接下來這三個激光束在一個鏡子或者棱鏡系統(tǒng)40歸并到一個唯一的共軸的平行光束45，使用一個偏轉(zhuǎn)設備42將光束45投影到一個屏幕44。
在這種視頻系統(tǒng)中，如果人們不另選十分貴的激光器，特別是使用足夠高的效率產(chǎn)生藍色激光束會造成困難?？梢允褂迷谙旅鎴D2至圖5說明的設備代替激光源10和30，以便于產(chǎn)生的激光束具有足夠高的強度。另外如果另外一個綠色光束如根據(jù)圖6實施例示例性說明的從被使用的激光束導出，那么還可能借助于相同設備代替激光器20。
圖2圖示說明了根據(jù)圖3至6工作的設備的原理。從一個在圖6中標出的激光器46首先取出一個主光束50，該光束例如通過半透光鏡子在點51上分解成兩個部分光束52和54。部分光束52然后輸出到一個光參數(shù)振蕩器，該振蕩器下面稱作“OPO”56。一個OPO包括一個非線性光晶體作為基本元件。根據(jù)非線性和當晶體的相應的取向，得到一個信號光束58和一個空閑光束60。由于光子能量守恒，這時得出如下關系信號射線的頻率ωS和空閑射線ωI相加得出激發(fā)光束52的頻率。
部分光束54、信號射線58和空閑射線60根據(jù)圖2輸出到一個具有另外非線性元件的設備62，然后從中得到波長最短的光束64和波長最長的光束66即紅或者藍。
在OPO56的晶體中，此外光束52的一部分射線不被轉(zhuǎn)換到另一頻率。這意味著從OPO56可以得到頻率為ω的另一個部分光束。這同樣可以作為光束54使用，其中提高了紅和藍光束64或者66中頻率為ω的主光束50的轉(zhuǎn)換效率。
圖3至5詳細說明怎樣才能構造具有非線性元件的設備62。這個設備可以具有頻率和混頻器、頻率差混頻器和產(chǎn)生高次諧波的設備，這才是重要的。對于這些光元件，人們得到下面的用于輸出光束64和66頻率一般方程式ωR=NR·ω+MR·ωS+KR·ωIωB=NB·ω+MB·ωS+KB·ωI系數(shù)NR、NB、MR、MB、KR、KB是整數(shù)。在唯一使用和混頻器時，這總是正的。如果相反在設備62中預先提供了差混頻器，那么系數(shù)一般是負的。
對于ωR和ωB，上面說明的方程式指出在根據(jù)圖2的布置中通過相應的選擇系數(shù)NR、NB、MR、MB、KR、KB可以近似任意確定頻率ω。一般由于上面已經(jīng)提到的、從能量守恒得到的關系ωI=ω-ωS另外限制了選擇自由。
通過將這個方程式帶入上面的方程組，得到四個獨立的系數(shù)ωR=(NR+KR)·ω+(MR-KR)·ωSωR=(NB+KB)·ω+(MB-KB)·ωS如果ωS大約是1/2ω，那么可實現(xiàn)這樣一個系統(tǒng)的最高功率，在這種前提條件下，得出另外的關系式，對于估算系數(shù)，可以使用這種關系ωR≈(NR+MR/2+KR/2)·ωωR≈(NB+MB/2+KB/2)·ω所使用的非線性晶體不僅在ω時而且在ωR和ωB時將盡可能透明，在這種要求下，人們選擇ω，得到一個小于2000nm的波長，因此僅盡可能的存在著近紅外區(qū)中的頻率。對于大約400nm的藍色射線的波長和大約600nm的紅色射線的波長，因此為了有效選擇晶體，將選擇要求|(NR+MR/2+KR/2)|≤2|(NB+MB/2+KB/2)|≤4這些如此得到的對系數(shù)的限制具有不同尋常的優(yōu)點。也就是說系數(shù)的大小和設備62中非線性光元件的數(shù)目存在著直接關系。根據(jù)所給出的要求，可以期望總是可以使用較少或者較多的非線性光元件實現(xiàn)設備62，這首先通過圖3至5的實施例來說明。
這種估算因此指出在圖2的實施例中，在使用唯一出現(xiàn)在一個窄頻譜范圍內(nèi)的頻率的條件下，在近紅外線直到藍范圍內(nèi)，僅最小的數(shù)目的非線性晶體并且因此微小數(shù)量的電子束分配器和鏡子是足夠的。對于根據(jù)圖2的設備，僅必需微小的花費。
另外由于考慮在2000nm和400nm之間范圍的限制，可能使用非線性光元件，例如在WO96/08116中公開的，這種非線性光元件甚至可以在室溫下使用微小的控制費用來工作。此外，能夠設計圖2中的實施例具有特別高的效率，因為在預定的窄的頻譜范圍內(nèi)這種方式的晶體具有足夠高的透明度。
圖3至圖5指出詳細說明設備62的一些實施例。
在所有這些例子中，為了產(chǎn)生紅色光束64預先提供了一個唯一的和混頻器70。這時通過頻率累加從部分光束54和信號光束58或者其中(圖3、4和5)的一個部分光束產(chǎn)生紅色光束。
因此僅必需一個唯一的光學晶體，以便因此得出一個相應較小的費用。對于這些例子選擇系數(shù)NR=1和MR=1。
在圖3的實施例中和混頻器(SFM)70射出的光束72被分為紅色光束64和另一個紅色部分光束74，該光束再次輸出到另一個和混頻器76，和混頻器74用于產(chǎn)生藍色光束66。
對于必要的混合，這時頻率為空閑光束60頻率兩倍的一個光束78輸出到和混頻器，空閑光束通過一個倍頻器80(SHG第二諧波發(fā)生器)得到。在這個實施例中，還使用了關系NB=1、MB=1和KB=2。
特別在這個例子中通過下面方法節(jié)省了光學元件系數(shù)NB=1和MB=1通過部分光束74的分支，從在和混頻器70中得到的光束72中實現(xiàn)。對于在根據(jù)圖1的視頻投影設備中這個分離的盡可能高的系數(shù)，優(yōu)化將光束72分為光束74和64的分配系數(shù)以及將主光束50分為光束52和54的分配系數(shù)。這里指出了如果如下設計分配，實現(xiàn)彩色圖像顯示的一個盡可能高的白光亮度，那么實現(xiàn)最有效的優(yōu)化。最有效的分配因數(shù)或者試驗確定或者借助于上面說明的計算來確定。
按照頻率ω，在圖3的實施例中空閑頻率可以位于一個頻譜范圍內(nèi)，其中OPO56的晶體的透明度或者倍頻器80的晶體的透明度是不充足的。一個太高的吸收那么將會降低效率或者對于OPO56或者倍頻器80的晶體選擇不必限制。
下面說明兩個例子其中不必擔心這種方式，因為不使用產(chǎn)生64和66的空閑射線60，這意味著在設備62中限制系數(shù)KR=KB=O。首先這種限制對于選擇非線性光學晶體具有優(yōu)選的影響，不僅在OPO56中，而且在設備62中。
在圖4的實施例中，直接從和混頻器70中得到紅色光束，主光束50的另外光束82、信號射線58的一個倍頻了的部分光束和光束84通過第二個和混頻器86得到藍色光束。對于藍色，這時從信號射線58中分出一個部分光束并且因此通過一個倍頻器88產(chǎn)生光束84。圖4還說明了NB=1并且MB=2例子。
這時部分光束82這時可以通過對主光束50、部分光束54或者類似于對部分光束54的說明從和混頻器70或者另外從OPO56中得到。此外，從和混頻器70輸出到倍頻器88的部分光束也就是未被轉(zhuǎn)換部分可以在濾波后得到，這首先提高了效率，因為通過和混頻器70中的晶體在構造和頻率時未被轉(zhuǎn)換的光子被用于提高光束66的光強度。
在圖5中，因此說明了另外的例子，即為了構成光束64和66使用了信號射線58而不是空閑射線60的一部分。與圖4的例子相比，區(qū)別在于設備62不僅包括兩個非線性元件，即和混頻器70和第二個和混頻器86。與圖4的區(qū)別是這里輸出到第二個和混頻器86的是信號射線58的一部分和和混頻器70產(chǎn)生的光束的一部分。這里象圖4中的例子，NB=1,MB=2。在這個例子中可以放棄使用另外的元件，如倍頻器80，因為從和混頻器70中得到部分光束74作為部分光束并且部分光束74已經(jīng)包括和頻率ω+ωS。
為了將光束72分為光束74和64，參考以上在圖3中的實施例。特別在根據(jù)圖1的一個視頻投影系統(tǒng)中，由于對高白光輻射功率的需要，確定光分配。
在圖6中，另外示例性說明，可以怎樣在激發(fā)OPO的主光束50的同時產(chǎn)生一個綠色光束90。這時，激光器46產(chǎn)生的激光射線92通過一個非線性光學晶體94。根據(jù)晶體的光學非線性，不僅產(chǎn)生頻率為2ω的諧波而且產(chǎn)生頻率為ω的基波。通過一個濾波器96，例如一個二色性的鏡子，能夠?qū)С鲆粋€具有加倍頻率的光束90和作為用于激發(fā)OPO56的主光束50的基波，為了產(chǎn)生信號射線和空閑射線58和60，另外使用上述OPO56。
根據(jù)頻率選擇光束90，以便于能夠產(chǎn)生綠色光束。在510到540nm之間的綠色波長中，對于被激發(fā)的激光器，得到1020到1080的波長，因此根據(jù)這個頻率范圍，激光器例如可以是波型耦合的Nd:YLF激光器。
這個激光器46將盡可能短的被觸發(fā)，數(shù)量級上低于10ps，因此每脈沖得到一個極可能高的功率密度，并且根據(jù)晶體94中非線性混合達到一個盡可能高的效率。
圖5和圖6實施例的組合特別好的適合于驅(qū)動根據(jù)圖1的視頻設備的一個設備，因為這時不僅僅必需最小數(shù)目的產(chǎn)生三個光束的晶體，而且僅可以使用最小數(shù)目的用于射線輻射的光學元件。
對于根據(jù)圖3至圖6的實施例，附上圖表Ⅰ，在這個表中，對于相應的晶體列出不同的可使用的材料。表Ⅰ的第一列這時分別列出所使用的非線性光學元件，這時對于一些元件給出參考符號和數(shù)字，相應的光學晶體涉及上述符號和數(shù)字。第二列列出各個波長變換。那里給出的所有變換關系到實現(xiàn)用于視頻投影的紅色和藍色光束，這時使用一個波長為1064.3nm的Nd:YVO4固態(tài)激光器作為激光器46。下一列列出紅色或者藍色光束的波長。接著在另外一列列出可能的非線性光學晶體。非線性光學晶體這時使用下面的在目前技術中常常使用的縮寫來表示。
下一個欄表示對于理想波長晶體的物理參數(shù)，其中在“角度”下，記錄了對于晶體軸線或者晶體軸線為了傳播被激發(fā)激光的角度。使用“平面”表示二軸的光學雙軸非線性晶體主平面，并且使用羅馬數(shù)字Ⅰ和Ⅱ表示如一般的相位匹配類型，“0”這是表示正式的波而“e”表示例外的波。
使用“Temp.”表示℃溫度，其中存在著相位匹配。如果這時在表中記錄了符號“RT”，那么因此指的是在室溫下可以實現(xiàn)例如的非線性溫度轉(zhuǎn)換。
縮寫“Fom”表示“質(zhì)量因數(shù)”。這些大小是非線性相互作用強度的程度。它的定義如下deff2/(n1n2n3)其中deff是晶體的有效非線性因數(shù)，n1、n2、n3是參與波的折射率。
在接下來的欄中列出的角度是離散角。因此被稱作入射的新產(chǎn)生的波或者波的能流的角度。
下面的三欄例如對于關于波長、角度和溫度各個非線性過程的接收寬度。晶體長度L的各個方面的依賴性通過產(chǎn)品構成來消除。
該表結(jié)合附圖明確指出了實現(xiàn)本發(fā)明的多種可能性。這時產(chǎn)生的激光射線可以用于對于白光亮度使用足夠的功率彩色顯示視頻圖像。這時激光源的全部功率小于30W，上述激光源在這種替換中對于顯示彩色視頻圖像必需輸出可接受的激光功率，也就是在一范圍內(nèi)，該范圍設計構造一個不需要極端的冷卻費用和控制費用。
基波和信號波都位于波長小于2000nm的近紅外區(qū)內(nèi)，為了產(chǎn)生紅、綠和藍，使用基波和信號波的輻射，可能使用通用的(標準-)元件，因為這些在長波長的空閑射線的范圍內(nèi)不是必需透明的。特別所使用的近紅外的波長在這里說明的方法和設備中允許在較大范圍內(nèi)選擇非線性光學晶體，因為這對于產(chǎn)生紅、綠和藍，同樣僅在近紅外區(qū)內(nèi)必須是透明的。除了在頻率轉(zhuǎn)換中的能量守恒外，為了有效產(chǎn)生新波還必須選擇脈沖守恒(相位匹配)。對于本方法和設備，可能象在表Ⅰ中示出的，選擇適合的晶體，這些晶體具有適合的物理特性。
特別本方法和設備允許使用非線性光學晶體硼酸系列，例如β-硼酸鋇(BBO)和三硼酸鋰(LBO)。因為這個晶體是足夠透明的，所以使用這種晶體，在產(chǎn)生藍色光束時不會有問題，因為實際上它不吸收這個波長的光。此外硼酸晶體還具有十分好的機械、光學和非線性光學特性。產(chǎn)生藍色光束因此在大于一瓦特的平均輸出功率的范圍內(nèi)能夠無問題的實現(xiàn)。
使用一個不僅對于OPO而且對于和混頻器70的KTA晶體和使用一個用于根據(jù)圖5的實施例的和混頻器86的LBO晶體，在29W的激光輸入功率和波長1064.3nm的情況下，達到產(chǎn)生白色的最大功率9W。特別對于藍色光束的功率可以最大到4W。這種較高的功率可以目前不能使用二極管激光器來實現(xiàn)。
一個產(chǎn)生三個光束的系統(tǒng)如上面單獨說明的僅包括少的功能確定的元件，這些元件此外在使用這里說明的頻率轉(zhuǎn)換處理時決定了具有少的元件的簡單結(jié)構，這僅具有小的位置和空間需要和小的電輸入功率。功能確定的元件這里是紅外線系統(tǒng)46、OPO56和設備62特別具有元件70、76、80、86和88。
表Ⅰ
續(xù)表權利要求
1.至少產(chǎn)生三個特別用于彩色圖像顯示的波長不同的光束(64、66、90)的方法，其中一個光束(66)的波長最長，一個光束(64)的波長最短，在本方法中，使用一個OPO(56)和另外非線性光元件如產(chǎn)生高次諧波的設備和/或者頻率和混頻器和/或者頻率差混頻器，從OPO(56)和/或者主光束(50)的一個信號射線和/或者空閑射線(58、60)中得到上述三個光束，從主光束(50)中導出一個激發(fā)OPO(56)的射線(52)，其特征在于，從主光束(50)中至少分離出激發(fā)OPO(56)的一個部分光束(52)，根據(jù)主光束(50)的另一個部分光束的倍頻和/或者混頻，不僅從OPO(56)的信號射線和/或空閑射線中得到波長最長的光束(64)而且得到波長最短的光束(66)，其中，在排除產(chǎn)生用于圖像顯示的波長最短和最長的光束(90)的另一個光束的分量的情況下，實現(xiàn)混頻。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于，除了用于彩色圖像顯示的波長最短和最長的光束(64、66)中的任一個外，通過倍頻從主光束或者主光束的一部分中至少得到另一個光束(90)。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，為了倍頻，主光束(50)通過一個非線性光學晶體(94)，從該晶體中，得到具有激發(fā)OPO的主光束(50)頻率的一個光束，以及用于彩色圖像顯示的頻率加倍的光束(90)。
4.根據(jù)權利要求1至3中任一個的方法，其特征在于，在不需要與空閑射線(60)混合的情況下，一般從OPO(56)的信號射線(58)和主光束(50)的一個部分光束(54)或者主光束的高次諧波中產(chǎn)生波長最長和最短的光束(64、66)。
5.至少產(chǎn)生三個特別用于彩色圖像顯示的波長不同的光束(64、66、90)的設備，其中一個光束(64)的波長最長，一個光束(66)的波長最短，該設備具有產(chǎn)生一個主光束(50)的激光器(46)，具有一個借助于主光束(50)的一個部分光束(52)在激發(fā)后可以得到一個信號射線和/或空閑射線(58、60)的OPO(56)，還具有一個具有非線性光學元件的設備(62)，另一個光束(54)、空閑射線和/或信號射線(58、60)被導入設備(62)中，并且從這個設備(62)波長最長的光束(64)和波長最短的光束(66)可以進行輸出耦合，其特征在于，不僅另外的光束(54)而且為激發(fā)OPO(56)而提供的光束(52)是主光束(50)的部分光束，并且不僅波長最短的光束(66)而且那個具有最長波長的光束(64)可以在具有非線性光學元件的設備(62)中唯一的從另外的光束(54)、信號射線(58)、空閑射線(60)和/或者它們的高次諧波中產(chǎn)生，不需要借助于作為波長最長和最短的用于圖像顯示的光束(90)的另一光束(90)。
6.根據(jù)權利要求5的設備，其特征在于，提供一個非線性光學晶體(94)，主光束的另外的部分光束(92)或者主光束自身射入上述光學晶體(94)中，通過這個晶體(94)的非線性光學比例產(chǎn)生的光束被導入一個波長選擇濾波器(96)，使用這個濾波器，除了濾除波長最短和最長的光束(64、66)外，還濾出了彩色圖像顯示的另一個光束(90)。
7.根據(jù)權利要求6的設備，其特征在于，通過濾波器(96)或者另一個濾波器，從非線性光學晶體中得到另一個光束(50)，除了激發(fā)OPO的部分光束(52)和/或者產(chǎn)生波長最短或者最長的光束的部分光束(54)外，該光束(50)被導入到具有非線性光學元件的設備(62)中。
8.根據(jù)權利要求5至7中任一個的設備，其特征在于，OPO(56)具有一個晶體，使用該晶體，可以產(chǎn)生一個紅外區(qū)的空閑射線(60)，除了OPO的信號射線(58)，主光束(50)的部分光束(54)被導入具有非線性光學元件的設備(62)中。
9.根據(jù)權利要求5至8中任一個的設備，其特征在于，激光器(46)發(fā)射波長在1020到1080nm之間的光。
10.根據(jù)權利要去5至9中任一個的設備，其特征在于，在具有非線性光學元件的設備(62)中，提供第一個和混頻器(70),OPO(56)的信號射線(58)的一個部分光束以及主光束(50)的一個部分光束(54)被導入上述和混頻器(70)中，并且從這個和混頻器(70)中，得到波長最長的光束(64)。
11.根據(jù)權利要求10的方法，其特征在于，在具有非線性光學元件的設備(62)中，提供第二個和混頻設備(76；86)，波長最長的光束(64)的一個部分光束(74)以及另一個從信號光射線(58)和/或它的空閑射線或者它的高次諧波中得到的部分光束被導入上述第二個和混頻器(76；86)，并且從這個混頻器的輸出一側(cè)，可以得到波長最短的光束。
12.根據(jù)權利要求10或者11的設備，其特征在于，信號射線(58)的一個部分光束被導入第二個和混頻器(86)。
13.根據(jù)權利要求10或者11的設備，其特征在于，一個倍頻器(80)，至少空閑射線(60)的一個部分光束射入上述倍頻器，并且通過倍頻器(80)倍頻得到的光束(76)被導入第二個和混頻器(76)中。
14.根據(jù)權利要求10的設備，其特征在于，提供用于倍頻信號射線(58)的一個倍頻器(88)和第二個和混頻器(86)，將通過倍頻器(88)倍頻得到的信號射線(58)以及主光束(50)的一個部分光束(82)導入上述第二個和混頻器(86)，并且從這第二個和混頻器(86)中得到波長最短的光束。
15.根據(jù)權利要求5至14中任一個設備，其特征在于，在部分光束(52、54、74、64)的分配中，在混合至少三個彩色圖像顯示的光束(64、66、90)時，用于顯示白色的光束有一個最大功率，以確定各個分配系數(shù)。
全文摘要
在產(chǎn)生至少三個波長不同的用于彩色圖像顯示的光束(64、66、90)的一個方法和設備中，其中一個光束(66)波長最長，一個光束(64)波長(64)最短，它們使用一個OPO(56)和另一個非線性光學元件從OPO(56)的一個信號射線和/或者空閑射線(58、60)和/或者一個主光束(50)中得到，從上述主光束中得到激發(fā)OPO(56)的射線(52)，這種方法和設備提供了從主光束(50)至少分離出激發(fā)OPO(56)的一個部分光束(52)；根據(jù)主光束(50)的另一個部分光束倍頻和/或混頻，在排除產(chǎn)生圖像顯示的波長最短和最短的光束的分量的情況下，從OPO(56)的信號射線和/或空閑射線(58、60)中得到不僅波長最長的光束(64)而且波長最短的光束(66)。
文檔編號H04N9/31GK1228169SQ98800753
公開日1999年9月8日 申請日期1998年3月24日 優(yōu)先權日1997年4月1日
發(fā)明者A·內(nèi)貝爾 申請人:Ldt激光展示技術公司