Способ и устройство для генерации по меньшей мере трех световых пучков различной длины волны, в частности для воспроизведения цветных изображений - RU2168194C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к способу генерации по меньшей мере трех световых пучков различной длины волны, в частности для воспроизведения цветных изображений, при этом один из световых пучков имеет наибольшую, а один из них имеет наименьшую длину волны, и эти световые пучки получают при осуществлении указанного способа с помощью оптического параметрического генератора (ОПГ) и других нелинейных оптических элементов, таких, как блоки генерации высших гармоник и/или смесители суммарных и/или разностных частот, на основе сигнального и/или холостого луча ОПГ и/или первичного светового пучка, производным которого является также пучок возбуждения ОПГ.

Кроме того, настоящее изобретение относится к устройству для генерации по меньшей мере трех световых пучков различной длины волны, в частности для воспроизведения цветных изображений, при этом один из световых пучков имеет наибольшую, а один из них имеет наименьшую длину волны, содержащему лазер для генерации первичного светового пучка, оптический параметрический генератор (ОПГ), из которого после его возбуждения частичным световым пучком, отделенным от первичного светового пучка, могут выходить сигнальный и/или холостой луч, а также систему с нелинейными оптическими элементами, в которую вводятся дополнительный световой пучок, холостой луч и/или сигнальный луч и из которой могут выводиться световой пучок с наибольшей и световой пучок с наименьшей длинами волн.

Под используемым ниже понятием "частичный световой пучок" понимается не только световой пучок, отделяемый светоделителем, но и такой световой пучок, который образуется в нелинейных кристаллах и выходит из них в качестве непреобразованной составляющей возбуждающего луча.

Устройства указанного типа известны, например, из DE 19504047 C1 и WO 96/08116. Несмотря на то, что указанные публикации относятся исключительно к генерации излучений в красной, зеленой и синей областях спектра, используемой в цветных видеосистемах, описанная в этих литературных источниках технология может применяться и в технике печатания, при этом выбор длин волн не обязательно должен соответствовать восприятию цветов человеком, поскольку при применении в подобных целях подбор цветов лазеров в существенной степени зависит также от чувствительности экспонируемой пленки или запечатываемой поверхности. Кроме того, данная техника не ограничена использованием трех цветов, т. е. трех световых пучков различной длины волны, поскольку на сегодняшний день для получения высококачественных цветных изображений, например, при выпуске художественных изданий, обычно применяют более трех цветов, а именно, четырех- или даже шестикрасочное печатание.

Поскольку указанную технологию можно применять и в других областях, например, в полиграфической промышленности, в данном случае в основном следует привлекать к использованию лазерную видеотехнику, известную, например, из DE 4306797 C1, где обычно используют всего три лазерных луча красной, зеленой и синей областей спектра. При применении в таких целях световой пучок с наименьшей длиной волны соответствует синей области спектра, а пучок с наибольшей длиной волны соответствует красной области спектра.

В частности, при существующем на сегодняшний день уровне лазерной техники трудноразрешимой задачей является генерация требуемого светового пучка с наименьшей длиной вольны в синей области спектра с достаточно высоким КПД при использовании недорогих лазеров.

В DE 19504047 C1 и в WO 96/08116 для сокращения затрат, связанных с лазерной видеопроекцией, предлагается получать все световые пучки с различными длинами волн для красной, зеленой и синей составляющих с помощью нелинейных оптических элементов, используя один единственный ИК-лазер. При этом прежде всего используют оптический параметрический генератор, далее сокращенно называемый ОПГ и известный, например, из DE 4219169 A1. В таком ОПГ возбуждающий световой пучок вводится в нелинейный оптический кристалл. За счет оптической нелинейности наряду с возбуждающим лучом в зависимости от ориентации кристалла и/или температуры и/или длины волны возбуждающего луча могут быть получены еще два луча с различными частотами, называемые сигнальным и холостым лучами.

Согласно указанной выше публикации сигнальный и холостой лучи затем смешивают друг с другом путем генерации суммарных частот или генерации высших гармоник с помощью других нелинейных оптических элементов с получением трех световых пучков с пригодными для лазерной проекции длинами волн. В частности, для эффективной генерации световых пучков синей и красной областей спектра, т. е. как с наименьшей, так и с наибольшей длинами волн, при этом дополнительно используют частичный световой пучок, отделенный от лазерного луча зеленой области спектра.

Более конкретно технология ОПГ, смешения частот и генерации высших гармоник описана, в частности, в вышеприведенных публикациях и в указанных в них литературных источниках.

С точки зрения практической реализации указанной технологии в первую очередь следует сослаться на заявку WO 96/08116, в которой представлены самые различные возможности по генерации трех световых пучков различной длины волны с использованием ОПГ. В этой публикации среди прочего приведена также таблица с данными по подбору материалов для используемых в ОПГ кристаллов, по возможным длинам волн сигнального и холостого лучей, которые могут быть получены с использованием этих кристаллов, соответственно по тем физическим параметрам, которые необходимо учитывать, по требуемой точности регулирования температур, по рабочей температуре, а также по ориентации граней кристаллов и другими данными, позволяющими специалисту в данной области техники изготавливать соответствующие ОПГ с необходимыми регулирующими и нагревательными системами.

Однако изучение данных таблиц показывает, что при создании отвечающей практическим потребностям лазерной системы для воспроизведения цветных изображений приходится идти на значительные компромиссы. Так, например, либо требуется высокая точность регулирования температуры, поскольку кристаллы частично должны работать при температурах выше комнатной, либо указываемые возможности связаны с использованием световых пучков с длинами волн в дальнем инфракрасном (ИК-), соответственно в ультрафиолетовом (УФ-) диапазоне. В дальнем ИК- или УФ-диапазоне от многих из указанных кристаллов не приходится ожидать высокой прозрачности, поскольку эти кристаллы частично поглощают энергию лазера, что дополнительно осложняет достижение фазового синхронизма, а тем самым и стабилизацию температуры для достижения необходимой точности регулирования, а также приводит к снижению интенсивности используемых для видеопроекции световых пучков, т.е. уменьшает КПД. Такое поглощение энергии, как показали опыты, может даже вызывать непредвиденное разрушение кристаллов.

Если кристаллы работают при температуре выше комнатной, то после включения установки необходим ее предварительный нагрев, вследствие чего достаточно стабильная нормальная работа видеосистемы становится возможной лишь по истечении довольно продолжительного времени. Хотя такое необходимое для выхода на рабочий режим время и можно было бы сократить за счет увеличения нагревательной мощности и усовершенствования системы регулирования, тем не менее это потребовало бы более высоких затрат на электронику.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача найти решение для устройств, альтернативное известному из уровня техники способу и обладающее всеми преимуществами системы генерации нескольких световых пучков различной длины волны с помощью ОПГ и других нелинейных оптических элементов, но позволяющее значительно сократить затраты на его отвечающее практическим потребностям исполнение и обеспечивающее высокий КПД световых пучков для воспроизведения цветных изображений с высоким коэффициентом использования энергии.

В отношении представленного во вводной части описания способа указанная задача решается благодаря тому, что от первичного светового пучка отделяют по меньшей мере один частичный световой пучок для возбуждения ОПГ, а световой пучок с наибольшей длиной волны, равно как и световой пучок с наименьшей длиной волны получают на основе сигнального и/или холостого лучей ОПГ путем умножения и/или смешения частоты с другим частичным световым пучком, отделенным от первичного светового пучка при исключении составляющих других световых пучков, отличных от световых пучков, сгенерированных для воспроизведения изображений с наименьшей и наибольшей длинами волн.

Применительно к примеру с тремя световыми пучками для видеопроекции это означает, что в изобретении в отличие от известных из уровня техники решений для генерации световых пучков красной и синей областей спектра не используется смешение частот со световым пучком зеленой области спектра. Вместо этого световой пучок, используемый для смешения с сигнальным и/или холостым лучом, имеет ту же частоту, что и световой пучок ИК-диапазона, с помощью которого осуществляется возбуждение ОПГ. Благодаря этому, что ниже дополнительно рассматривается на примерах выполнения и поясняется приведенными ниже расчетами, минимальную частоту, применяемую при генерации световых пучков для воспроизведения цветных изображений, можно выбирать таким образом, чтобы она лежала в ближнем ИК-диапазоне спектра и, в частности, соответствовала длине волны менее 2000 нм.

Такая частота используемого для смешения частичного излучения определяется согласно изобретению в основном световыми пучками с наибольшей и наименьшей длинами волн, т.е. соответствующими экстремумами, и поэтому смешение частоты с использованием сигнального и холостого лучей или же одного из получаемых на их основе за счет удвоения частоты световых пучков позволяет выбирать используемые в предлагаемом способе световые пучки для генерации световых пучков для воспроизведения цветных изображений в основном в видимой области спектра и при необходимости вплоть до ближнего ИК-диапазона. Такая возможность обеспечивает достижение существенных преимуществ в выборе материала для изготовления нелинейных оптических кристаллов, поскольку в указанном случае требуется лишь тот узко ограниченный спектральный диапазон, в котором такие кристаллы обычно являются прозрачными. Это в свою очередь означает, что при практической реализации изобретения предоставляется большая свобода выбора пригодных для этой цели кристаллов, характеризующихся низкими потерями на поглощение. Благодаря этому можно, в частности, снизить вызываемый поглощением энергии нагрев кристалла и фазовое рассогласование, что в частности также обеспечивает снижение затрат на средства регулирования.

Неожиданно было установлено, что при практической реализации предлагаемого в изобретении решения существенно уменьшается и доля требуемых УФ-составляющих. Наряду с повышением благодаря этому КПД светового пучка, имеющего наименьшую длину волны, каковым в лазерных видеосистемах является излучение в синей области спектра, достигается еще одно преимущество, состоящее в увеличении срока службы оптических элементов, используемых в устройстве, предназначенном для осуществления предлагаемого способа, за счет уменьшения вероятности их повреждения УФ-излучением. Вследствие этого снижается и частота проведения работ по техническому обслуживанию таких систем формирования изображений.

Еще одно преимущество состоит в том, что излучение зеленой области спектра, т. е. другой используемый при цветном воспроизведении световой пучок, отличный от световых пучков с наименьшей и наибольшей длинами волн, вообще не задействуется для генерации этих пучков. Благодаря этому достигается существенно более высокая стабильность по мощности лазерных лучей для цветного воспроизведения по сравнению с известными из уровня техники решениями, в которых излучение зеленой области спектра вовлекается в процесс смешения частот. Согласно таким известным решениям нестабильность излучения в зеленой области спектра оказывала бы прямое воздействие на излучения в синей и красной областях спектра, что в принципе потребовало бы в этом случае гораздо больших затрат на средства регулирования по сравнению с предлагаемым в изобретении решением. За счет этого также обеспечивается существенное сокращение затрат.

Далее, в одном из предпочтительных вариантов осуществления способа по меньшей мере один другой световой пучок, отличный от одного из пучков с наименьшей и наибольшей длинами волн для воспроизведения цветных изображений, получают из первичного светового пучка или из части этого пучка путем умножения частоты.

Достигаемое благодаря этому преимущество состоит в возможности генерировать с помощью всего лишь одного лазера максимально возможное количество световых пучков, но по меньшей мере три световых пучка для воспроизведения цветных изображений. Указанное преимущество проявляется прежде всего при использовании трех световых пучков, например, в упомянутой лазерной видеопроекционной системе, поскольку данный вариант позволяет получать все три световых пучка с меньшими затратами.

В видеопроекционных системах такого типа с основными цветами: красным, зеленым и синим световой пучок зеленой области спектра генерируют, в частности, путем умножения частот. Тем самым световым пучком для зеленого цвета с длинами волн порядка 500 нм в рассматриваемом случае определяется длина волны первичного светового пучка, составляющая при удвоении частоты приблизительно 1000 нм, соответственно при трехкратном ее увеличении составляющая приблизительно 1500 нм. Это означает, что для первичного светового пучка при умножении частоты на не слишком большую величину и тем самым при соответственно высоком КПД в любом случае получают по меньшей мере более короткие длины волн, не превышающие 2000 нм, вследствие чего и данный вариант выполнения обеспечивает возможность работы устройства для осуществления предлагаемого способа в узком спектральном диапазоне, позволяя достичь вышеуказанных преимуществ, заключающихся в большей свободе выбора кристаллов, прозрачных в узком спектральном диапазоне.

Согласно еще одному предпочтительному варианту выполнения изобретения первичный световой пучок для умножения частоты пропускают через нелинейный оптический кристалл, выходящие из которого световой пучок с частотой первичного светового пучка используют для возбуждения ОПГ, а световой пучок с удвоенной частотой используют в качестве другого светового пучка для воспроизведения цветных изображений.

Данный вариант выполнения наиболее целесообразно использовать для получения указанного в качестве примера светового пучка зеленой области спектра. Во-первых, данный вариант позволяет ограничить частоту первичного светового пучка половинной частотой светового пучка зеленой области спектра, т.е. ограничить длину волны этого первичного светового пучка величиной примерно в 1000 нм, что прежде всего приводит к наиболее оптимальному сужению того спектрального диапазона, в котором должен работать ОПГ. Во-вторых, первичный световой пучок для возбуждения ОПГ также получают с помощью служащего для удвоения частоты кристалла, что позволяет отказаться от использования дополнительных светоделительных зеркал для разделения первичного светового пучка на различные частичные пучки. Таким образом и в данном случае достигаемое преимущество состоит в снижении затрат. Кроме того, благодаря этому максимальная доля световой мощности первичного светового пучка используется для генерации по меньшей мере трех световых пучков, обеспечивая высокий КПД воспроизведения цветных изображений.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения изобретения световые пучки с наибольшей и наименьшей длинами волн генерируют без смешения с холостым лучом исключительно на основе сигнального луча ОПГ и частичного светового пучка, отделенного от первичного светового пучка, или его высших гармоник.

В ОПГ сумма частот сигнального и холостого луча, обусловленная законом сохранения энергии фотонов, равна частоте возбуждающего луча. Поэтому в предлагаемом способе, когда холостой луч находится в дальнем ИК-диапазоне, сигнальный луч продолжает оставаться в ближнем ИК-диапазоне или даже в видимой области спектра. Благодаря этому при последующем смешении частот для генерации световых пучков с наименьшей и наибольшей длинами волн требуется лишь узкий спектральный диапазон, что существенно расширяет возможности по выбору нелинейных оптических кристаллов и обеспечивает достижение связанных с этим и уже описанных выше преимуществ.

Таким образом, данный вариант предпочтительно использовать прежде всего в случае холостого луча, лежащего в дальнем ИК-диапазоне, поскольку этот луч не требуется использовать для генерации соответствующего цвета.

В отношении представленного во вводной части описания устройства поставленная в изобретении задача решается благодаря тому, что дополнительный световой пучок, равно как и световой пучок, предназначенный для возбуждения ОПГ, являются частичными световыми пучками, отделенными от первичного светового пучка, а световой пучок с наименьшей, равно как и световой пучок с наибольшей длинами волн могут генерироваться в системе с нелинейными оптическими элементами исключительно на основе дополнительного светового пучка, сигнального луча, холостого луча и/или их высших гармоник без использования других световых пучков, отличных от световых пучков с наибольшей и наименьшей длинами волн для воспроизведения изображений.

В этом устройстве описанный выше способ осуществляется с помощью системы с нелинейными оптическими элементами, аналогичной той, которая уже известна из уровня техники. Конфигурации таких известных из уровня техники систем благодаря их простоте также наглядно подтверждают возможность создания с помощью настоящего изобретения отвечающего практическим потребностям устройства для генерации по меньшей мере трех световых пучков, используемых при воспроизведении цветных изображений.

Указанные выше преимущества различных вариантов выполнения изобретения, относящиеся к предлагаемому способу, равным образом могут быть реализованы и в следующих вариантах выполнения устройства, согласно которым
- предусмотрен нелинейный оптический кристалл, в который падает дополнительный частичный световой пучок, отделенный от первичного светового пучка, или сам первичный световой пучок, а возникающий в результате нелинейных оптических свойств данного кристалла свет вводится в фильтр длин волн, с помощью которого отфильтровывается другой световой пучок для воспроизведения изображений, отличный от одного из имеющих наибольшую и наименьшую длины волн световых пучков;
- далее с помощью этого фильтра или дополнительного фильтра из нелинейного оптического кристалла выводится дополнительный световой пучок, вводимый в систему с нелинейными оптическими элементами в качестве частичного светового пучка для возбуждения ОПГ и/или в качестве частичного светового пучка для генерации пучков с наименьшей и наибольшей длинами волн;
- и/или в ОПГ предусмотрен кристалл, позволяющий генерировать инфракрасный холостой луч, а в систему с нелинейными оптическими элементами вводятся только сигнальный луч ОПГ и частичный световой пучок, отделенный от первичного светового пучка.

В еще одном из предпочтительных вариантов выполнения изобретения предусмотрено использование лазера, излучающего свет с длиной волны от 1020 до 1080 нм. Благодаря ограничению длин волн лазерного излучения такими пределами можно реализовать очень узкий спектральный диапазон для используемых в устройстве нелинейных оптических кристаллов, что обеспечивает достижение связанных с этим и описанных выше преимуществ касательно выбора материала для изготовления кристаллов и прежде всего касательно их прозрачности и связанного с этим снижения затрат на средства регулирования. Кроме того, было установлено, что с помощью одного лазера, излучение которого имеет указанную длину волны, соответствующим образом и с минимальными затратами можно генерировать все три цвета для видеопроекционной системы с целью воспроизведения любых возможных цветов, определяемых различными видеостандартами.

Следующие варианты выполнения изобретения относятся прежде всего к не связанным с большими затратами конфигурациям используемой в устройстве системы с нелинейными оптическими элементами.

В первом из таких предпочтительных вариантов в системе с нелинейными оптическими элементами предусмотрен первый смеситель суммарной частоты, в который вводится по меньшей мере один частичный световой пучок, отделенный от сигнального луча ОПГ, а также частичный световой пучок, отделенный от первичного светового пучка, после чего из указанного смесителя выводится световой пучок с наибольшей длиной волны.

Такое решение позволяет наиболее простым путем, с небольшими затратами и с высокой эффективностью генерировать световой пучок с наибольшей длиной волны, используя один нелинейный оптический кристалл.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения в системе с нелинейными оптическими элементами предусмотрен второй смеситель суммарной частоты, в который вводится частичный световой пучок, отделенный от светового пучка с наибольшей длиной волны, а также другой частичный световой пучок, полученный на основе сигнального луча и/или холостого луча либо их высших гармоник, и из которого на выходе может выводиться световой пучок с наименьшей длиной волны.

В данном случае для светового пучка с наименьшей длиной волны, каковым в рассматриваемом примере является луч синей области спектра, по существу требуется лишь один единственный смеситель суммарной частоты. Однако при этом существуют два возможных пути решения, согласно которым во второй смеситель частот можно вводить либо частичный световой пучок, отделенный от сигнального луча, либо его высшую гармонику. В первом варианте затраты ниже за счет меньшего количества оптических элементов. Тем не менее, несмотря на использование во втором варианте дополнительного нелинейного кристалла для формирования высших гармоник, затраты и в этом случае могут быть снижены, если за счет придания этому кристаллу соответствующей конфигурации достигается более высокий КПД.

Последний из указанных возможных путей решения обеспечивает достижение определенных преимуществ в двух следующих вариантах выполнения устройства, где холостой луч с удвоенной частотой и сигнальный луч с удвоенной частотой используют для получения светового пучка с наименьшей длиной волны.

В первом из упомянутых вариантов выполнения изобретения предусмотрено применение удвоителя частоты, в который падает по меньшей мере один частичный световой пучок, отделенный от холостого луча, а полученный в этом удвоителе световой пучок удвоенной частоты вводится во второй смеситель суммарной частоты. При этом в тот же смеситель суммарной частоты вводится также световой пучок с наибольшей длиной волны либо его часть.

Во втором предпочтительном в данном отношении варианте выполнения изобретения предусмотрены удвоитель частоты сигнального луча и второй смеситель суммарной частоты, в который вводятся сигнальный луч, имеющий удвоенную с помощью удвоителя частоту, а также частичный световой пучок, отделенный от первичного светового пучка, а из этого второго смесителя суммарной частоты выводится световой пучок с наименьшей длиной волны.

Как следует из описанных выше вариантов выполнения изобретения, в них предусмотрено разделение, в частности, первичного светового пучка, сигнального луча или же светового пучка с наибольшей длиной волны, каковым в примере с видеосистемой является пучок красной области спектра, на частичные световые пучки. Такое деление пучка можно осуществлять, например, с помощью полупрозрачных зеркал или также путем отвода определенного частичного светового пучка из нелинейных оптических элементов после спектрального разложения под соответствующим углом. В последнем примере в этом отношении следует особо обратить внимание на выходящий из ОПГ частичный пучок с частотой первичного светового пучка, который также может быть использован для смешения в системе с нелинейными оптическими компонентами в качестве частичного пучка, отделенного от первичного светового пучка. В частности, соответствующие световые пучки после их совместного выхода из оптических нелинейных кристаллов можно разделять с помощью соответствующих дихроичных зеркал.

Независимо от того, каким образом осуществляется деление световых пучков, КПД устройства при небольших затратах может быть повышен за счет соответствующего выбора величины коэффициентов разделения (т.е. коэффициент, определяющий в каких пропорциях должно происходить разделение светового пучка). В этом отношении согласно еще одному из предпочтительных вариантов выполнения изобретения при разделении на частичные световые пучки определяется соответствующий коэффициент разделения для обеспечения максимальной мощности излучения для воспроизведения белого путем смешения по меньшей мере трех используемых при воспроизведении цветных изображений световых пучков. Такой вариант позволяет рассчитать оптимальную мощность лазера для цветного воспроизведения.

В этом варианте выполнения коэффициенты разделения получают путем известного специалистам в данной области техники нахождения экстремальных значений. С этой целью для устройства любой соответствующей конструкции после выбора нелинейных оптических элементов может быть составлено уравнение, позволяющее рассчитать максимальную мощность для воспроизведения белого при смешении по меньшей мере трех световых пучков и содержащее в качестве параметров такие коэффициенты разделения. После вывода данного уравнения в соответствии с указанными параметрами и приравнивания нулю получают известным образом систему уравнений, которую затем решают путем подстановки оптимальных параметров для нахождения экстремальных значений.

Кроме того, наряду с описанным выше аналитическим подходом для расчета оптимальных коэффициентов разделения рекомендуется использовать имеющееся в продаже математическое программное обеспечение для компьютеров. Полученные таким путем коэффициенты разделения, используемые при делении на частичные световые пучки, позволяют благодаря указанному расчету параметров устройства получить при его работе световые пучки, обеспечивающие особо высокий КПД при воспроизведении изображений.

Ниже предлагаемые в изобретении способ и устройство более подробно поясняются на примерах со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - схематичное изображение устройства для воспроизведения цветных изображений,
на фиг. 2 - схематичное изображение одного из примеров выполнения для более подробного пояснения изобретения,
на фиг. 3-5 - различные примеры выполнения по генерации световых пучков с наименьшей и наибольшей длинами волн для лазерной видеосистемы и
на фиг. 6 - пример предпочтительного деления первичного пучка лучей в устройстве, которое может быть использовано в видеопроекционной системе.

Хотя, как уже упоминалось выше, настоящее изобретение может найти применение и в полиграфической промышленности, однако ниже оно описано преимущественно на примере видеоустройства, в котором используются только три световых пучка. Эти световые пучки выбираются, как правило, с длинами волн в красной, зеленой и синей областях спектра. При этом световой пучок синей области спектра представляет собой пучок с наименьшей длиной волны, а световой пучок красной области спектра является пучком с наибольшей длиной волны. Световой пучок зеленой области спектра представляет собой дополнительный, другой пучок в составе трех световых пучков для воспроизведения цветных изображений. Этот дополнительный пучок в соответствии с известным уровнем техники обычно используют для генерации световых пучков красной и синей областей спектра. В настоящем изобретении, в отличие от известного уровня техники, что ясно показывают приводимые ниже пояснения, этого не требуется.

Сначала на примере по фиг. 1 поясняется принцип работы видеоустройства. Для воспроизведения отдельных одноцветных изображений используют три лазера 10, 20, 30 с длинами волн, обычно соответствующими на принятой Международной комиссией по освещению (МКО) диаграмме кривой спектральной чувствительности красному, зеленому и синему цветам. Эти посылаемые лазерами 10, 20, 30 лучи подвергают с помощью модуляторов 12, 22, 32 амплитудной модуляции цветом соответствующей интенсивности, которая требуется для воспроизведения этого цвета при освещении на экране точки изображения. Затем три лазерных луча с помощью системы 40 зеркал или призм сводят в единый коллинеарный параллельный световой пучок 45, проецируемый отклоняющей системой 42 на экран 44.

В таких видеосистемах основная трудность связана с обеспечением достаточно высокого КПД при генерации лазерного луча в синей области спектра, если только не прибегать к использованию очень дорогих лазеров. Показанные на фиг. 2-5 устройства позволяют заменить лазеры 10 и 30 и генерировать соответствующие им световые пучки, обладающие достаточно высокой интенсивностью. Кроме того, лазер 20 также можно заменить на соответствующее устройство, если, как показано на примере по фиг. 6, формировать на основе используемых лазерных лучей дополнительный световой пучок в зеленой области спектра.

На фиг. 2 схематично представлен принцип работы устройств по фиг. 3-6. Из излучения показанного на фиг. 6 лазера 46 сначала выделяют первичный световой пучок 50, который, например, с помощью полупрозрачных зеркал, разделяют в точке 51 на два частичных световых пучка 52 и 54. Частичный пучок 52 затем вводят в оптический параметрический генератор 56, ниже сокращенно называемый ОПГ. Одним из основных элементов ОПГ является нелинейный оптический кристалл. Благодаря нелинейности кристалла и при соответствующей его ориентации можно получать сигнальный луч 58 и холостой луч 60. При этом благодаря закону сохранения энергии фотона справедливо соотношение, согласно которому частота ω_S сигнального луча и частота ω_I холостого луча в сумме дают частоту ω возбуждающего частичного светового пучка 52.

Частичный пучок 54, сигнальный луч 58 и холостой луч 60 поступают согласно фиг. 2 в следующую систему 62 с нелинейными оптическими элементами, из которой затем выходят световой пучок 66 с наименьшей длиной волны и световой пучок 64 с наибольшей длиной волны, соответственно синей и красной областей спектра.

Кроме того, в кристалле ОПГ 56 частичный луч, выделенный из светового пучка 52, не преобразуется в другие частоты. Это означает, что из ОПГ 56 также может быть выведен дополнительный частичный световой пучок с частотой ω. Его также можно использовать в качестве светового пучка 54, причем эффективность преобразования первичного светового пучка 50 с частотой ω в световые пучки 64 и 66 соответственно красной и синей областей спектра в этом случае повышается.

На фиг. 3-5 более подробно представлены возможные конфигурации системы 62, содержащей нелинейные оптические элементы. Однако особое внимание в данном случае следует обратить на то, что в состав указанной системы могут входить смеситель суммарной частоты, смеситель разностной частоты и блоки генерации высших гармоник. Для частот выходных световых пучков 64 и 66 указанных оптических элементов получают следующие общие уравнения:
ω_R = N_R•ω+M_R•ω_S+K_R •ω_I,
ω_B = N_B•ω+M_B•ω_S+K_B•ω_I,
где коэффициенты N_R, N_B, M_R, M_B, K_R, K_B представляют собой целые числа. При использовании только смесителей суммарной частоты эти коэффициенты всегда положительны. Если же в системе 62 предусмотрено также смешение разностной частоты, то указанные коэффициенты могут, как очевидно, иметь и отрицательные значения.

Приведенные выше уравнения для ω_R и ω_B показывают, что частота ω в системе по фиг. 2 может выбираться практически произвольно за счет соответствующего подбора коэффициентов N_R, N_B, М_R, M_B, K_R, K_B. Однако свобода выбора впоследствии ограничена следующим соотношением, вытекающим из закона сохранения энергии фотона:
ω_I = ω-w_S,
Подставив данное уравнение в приведенную выше систему уравнений получают четыре независимых коэффициента:
ω_R = (N_R+K_R)•ω+(M_R-K_R)•ω_S,
ω_B = (N_B +K_B)•ω+(M_B-K_B)•ω_S.
При условии, что максимальная мощность в такой системе достигается в том случае, когда ω_S приблизительно равна 1/2ω, получают следующие дополнительные соотношения, которые могут быть использованы для оценки указанных коэффициентов:

Таким образом, данные оценки позволяют сделать вывод, что в примере по фиг. 2, используя частоты, встречающиеся лишь исключительно в узком спектральном диапазоне, а именно, в диапазоне от ближней ИК-области до синей области, можно использовать минимальное количество нелинейных оптических кристаллов, а следовательно, и минимальное количество светоделителей и зеркал. Иными словами, затраты на устройство по фиг. 2 являются очень малыми.

Кроме того, рассмотренное ограничение спектральной области диапазоном от 2000 нм до 400 нм позволяет использовать известные, например, из заявки WO 96/08116, нелинейные оптические элементы, которые могут работать даже при комнатной температуре, не требуя больших затрат на средства регулирования. Более того, пример выполнения по фиг. 2 позволяет сконструировать устройство с исключительно высоким КПД, поскольку известны такие кристаллы, которые обладают достаточно высокой прозрачностью в указанном узком спектральном диапазоне.

На фиг. 3-5 показаны несколько примеров выполнения системы 62, более подробно поясняющих ее конфигурацию. Во всех этих примерах для генерации светового пучка 64 красной области спектра предусмотрен один единственный смеситель 70 суммарной частоты. При этом пучок 64 красной области спектра генерируется путем сложения частот частичного светового пучка 54 и сигнального светового пучка 58 или частичного светового пучка, отделенного от последнего (фиг. 3, 4 и 5).

Для этой цели необходим всего лишь один оптический кристалл, что также обеспечивает соответствующее снижение затрат. Таким образом, для данных примеров были выбраны коэффициенты N_R = 1 и M_R = 1.

В примере по фиг. 3 выходящий из смесителя 70 суммарной частоты (ССЧ) световой пучок 72 разделяется на световой пучок 64 красной области спектра и еще один частичный световой пучок 74 красной области спектра, направляемый в свою очередь в дополнительный смеситель 76 суммарной частоты, который используется для генерации светового пучка 66 синей области спектра.

При этом для требуемого смешения частот в смеситель суммарной частоты вводится световой пучок 78 с двойной частотой холостого луча 60, получаемый с помощью удвоителя 80 частоты (ГВГ; генератор второй гармоники). Таким образом, в данном примере используют коэффициенты N_B=1, M_B=1 и K_B=2.

В данном примере выполнения экономия оптических элементов достигается прежде всего благодаря тому, что коэффициенты N_B=1 и M_B=1 реализуют за счет отвода светового пучка 74 от выходящего из смесителя 70 суммарной частоты светового пучка 72. С целью достижения максимально высокой эффективности данного светоделения в видеопроекторе по фиг. 1 следует оптимизировать коэффициент разделения светового пучка 72 на световые пучки 74 и 64, а также разделения первичного светового пучка 50 на пучки 52 и 54. Было установлено, что наиболее эффективной оптимизации достигают в том случае, когда разделение пучков рассчитано таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную яркость белого для воспроизведения цветных изображений. Наиболее оптимальный коэффициент разделения можно определить либо экспериментальным путем, либо с помощью приведенных выше вычислений.

В зависимости от частоты ω холостая частота в примере по фиг. 3 может лежать в таком спектральном диапазоне, в котором прозрачность кристалла ОПГ 56 или удвоителя 80 частоты будет недостаточной. В этом случае слишком большое поглощение могло бы снизить КПД или же излишне ограничить возможности по выбору кристаллов для ОПГ 56 или для удвоителя 80 частоты.

Ниже рассмотрены два примера, в которых отсутствует опасность возникновения таких ограничений, поскольку в них не используют холостой луч 60 для генерации световых пучков 64 и 66, т.е. в данных случаях система 62 ограничена коэффициентами K_R= K_B= 0. Такое ограничение прежде всего положительно влияет на возможности выбора нелинейных оптических кристаллов как в самом ОПГ 56, так и в системе 62.

В примере выполнения по фиг. 4 используют световой пучок красной области спектра, непосредственно выходящий из смесителя 70 суммарной частоты, а пучок синей области спектра получают с помощью дополнительного частичного светового пучка 82, отделенного от первичного светового пучка 50, и частичного светового пучка 84 удвоенной частоты, отделенного от сигнального луча 58, пропуская их через второй смеситель 86 суммарной частоты. При этом для синего цвета от сигнального луча 58 отделяют частичный световой пучок и таким путем с помощью удвоителя 88 частоты генерируют световой пучок 84. Таким образом, на фиг. 4 показан пример для N_B = 1 и M_B = 2.

В этом случае частичный пучок 82 можно получать путем разделения первичного светового пучка 50, частичного светового пучка 54 или же, аналогично тому, как это было показано для частичного пучка 54, на выходе из смесителя 70 суммарной частоты либо, кроме того, на выходе ОПГ 56. Помимо этого подводимый к удвоителю 88 частоты частичный пучок может быть выведен после прохождения фильтра из смесителя 70 суммарной частоты, т.е. его непреобразованная составляющая, что прежде всего увеличивает КПД, поскольку в этом случае фотоны, не преобразованные кристаллом в смесителе 70 при формировании суммарной частоты, также используются для повышения интенсивности светового пучка 66.

На фиг. 5 показан еще один пример использования для формирования пучков 64 и 66 одного лишь сигнального луча 58 без холостого луча 60. Отличие данного примера от примера по фиг. 4 состоит в том, что в системе 62 предусмотрено только два нелинейных оптических элемента, а именно, во-первых, смеситель 70 суммарной частоты и второй смеситель 86 суммарной частоты. В отличие от фиг. 4 в данном случае на второй смеситель 86 поступает частичный пучок, отделенный от сигнального луча 58, и частичный пучок, отделенный от сгенерированного смесителем 70 суммарной частоты светового пучка 72. В данном случае, как и в примере по фиг. 4, справедливо условие N_B=1, M_B=2. Другие компоненты, такие, как удвоитель 80 частоты, в данном примере можно не использовать, поскольку частичный световой пучок 74 поступает из смесителя 70 суммарной частоты в виде частичного пучка и уже имеет суммарную частоту, равную ω+ω_S.
Разделение светового пучка 72 на пучки 74 и 64 осуществляется аналогично примеру по фиг. 3. В частности, определяющим требованием к светоделению является обеспечение в видеопроекционной системе по фиг. 1 высокой яркости излучения белого света.

Далее на примере по фиг. 6 показано, каким образом одновременно с используемым для возбуждения ОПГ первичного светового пучка 50 можно также генерировать пучок 90 зеленой области спектра. При этом генерируемый лазером 46 луч 92 пропускают через нелинейный оптический кристалл 94. Оптическая нелинейность кристалла приводит к возникновению как высших гармоник с частотой 2ω, так и основной гармоники с частотой ω. Затем с помощью фильтра 96, например, дихроичного зеркала, можно получить световой пучок 90 с двойной частотой и основную гармонику в качестве первичного светового пучка 50 для возбуждения ОПГ 56, каковой пучок в последующем используется для генерации сигнального луча 58 и холостого луча 60.

Частоту светового пучка 90 выбирают с таким расчетом, чтобы тем самым обеспечить генерацию пучка зеленой области спектра. В этом случае при использовании для длин волн зеленой области спектра в пределах от 510 до 540 нм длина волны возбуждающего лазера составляет от 1020 до 1080 нм, благодаря чему, исходя из данного диапазона частот, в качестве такого лазера можно использовать, например, Nd:YLF-лазер с синхронизированными модами.

Длительность импульса такого лазера 46 должна быть максимально короткой и составлять порядка менее 10 пс для обеспечения максимально высокой плотности мощности каждого импульса и достижения максимально высокого КПД за счет нелинейного смешения в кристалле 94.

Пример выполнения по фиг. 5 в сочетании с примером по фиг. 6 образуют устройство, наиболее пригодное для применения в видеоустройстве по фиг. 1, поскольку в данном случае требуется не только минимальное количество кристаллов для генерации трех световых пучков, но и можно использовать минимальное количество оптических элементов для управления пучком.

К примерам выполнения по фиг. 3-6 прилагается таблица I с указанием различных материалов, используемых для изготовления соответствующих кристаллов. При этом в первой колонке таблицы I в каждом случае указаны используемые нелинейные оптические элементы, причем для некоторых из них дана ссылка на номера позиций и чертежи, к которым относится соответствующий оптический кристалл. Во второй колонке приведены соответствующие данные, касающиеся преобразования длин волн. Все указанные в этой колонке данные по преобразованию относятся к получению светового пучка красной и синей областей спектра для видеопроекции с использованием в качестве лазера 46 твердотельного Nd: YVO₄-лазера с длиной волны излучения 1064,3 нм. В следующей колонке приведены длины волн световых пучков красной, соответственно синей областей спектра. Затем в последующей колонке перечислены возможные нелинейные оптические кристаллы. При этом условные обозначения таких нелинейных кристаллов приведены с использованием следующих, часто применяемых в уровне техники сокращений:
LBO = LiB₃O₅ = триборат лития
KNbO₃ = ниобат калия
LiNbO₃ = ниобат лития
Banana = Ba₂ NaNb₅O₁₅ = ниобат натрий-бария
BBO = бета-BaB₂O₄ = бета-борат бария
KTA = KTiOAsO₄ = арсенат калий-оксотитана
KTP = KTiOPO₄ = фосфат калий-оксотитана
RTP = RbTiOPO₄ = фосфат рубидий-оксотитана
RTA = RbTiOAsO₄ = арсенат рубидий-оксотитана
CTA = CsTiOAsO₄ = арсенат цезий-окоститана
В следующих колонках приведены физические параметры кристаллов для получения требуемых длин волн, при этом в колонке с заголовком "Угол" указан угол направления распространения возбуждающего лазерного излучения относительно оптической оси, соответственно оптических осей кристалла. В колонке, озаглавленной "Плоскость", обозначена главная плоскость двухосных оптических нелинейных кристаллов, а римскими цифрами I и II, как и принято, обозначен тип фазового синхронизма, где буква "о" означает обыкновенную, а буква "е" - необыкновенную волну.

В колонке, озаглавленной "Темп.", приведена температура в^oC, при которой имеет место фазовый синхронизм. Указанное в соответствующей клетке таблицы сокращение "КТ" подразумевает, что рассматриваемое нелинейное преобразование может происходить при комнатной температуре.

Сокращение "Fom" означает добротность (от англ. "Figure of merit"). Эта величина является мерой силы нелинейного взаимодействия, определяемой как:
d_эфф²/n₁n₂n₃),
где d_эфф обозначает эффективный коэффициент нелинейности кристалла, а n₁, n₂ и n₃ являются показателями преломления взаимодействующих волн.

Приведенные в следующей колонке значения угла относятся к углу отклонения. Эта величина обозначает угол потока энергии вновь возникающей волны, соответственно возникающих волн относительно направления облучения.

В следующих трех колонках приведены допустимые для соответствующего нелинейного процесса пределы для длины волны, угла и температуры. Зависимость допустимости параметров от длины L кристалла при этом устраняется за счет образования произведения.

Приведенные в таблице данные в сочетании с чертежами наглядно показывают многообразие возможных вариантов реализации настоящего изобретения. Генерируемые при этом лазерные лучи могут быть использованы для цветного воспроизведения видеоизображений с мощностью, достаточной для достижения высокой яркости белого. При этом полная потребляемая мощность источника лазерного излучения, которую в указанных альтернативных вариантах необходимо подводить для достижения приемлемой мощности лазерного излучения при воспроизведении цветных видеоизображений, составляет менее 30 Вт, т.е. все еще не выходит за пределы, позволяющие конструировать видеосистему без особых затрат на средства охлаждения и регулирования.

Использование излучения основной гармоники и сигнальной волны, длины волн которых лежат в ближнем ИК-диапазоне, составляя менее 2000 нм, для генерации красной, зеленой и синей составляющих позволяет использовать распространенные (стандартные) компоненты, которые не обязательно должны быть прозрачными в диапазоне длинноволновых холостых лучей. Так, в частности, используемая в представленных в описании способе и устройстве длина волны ближнего ИК-диапазона обеспечивает большую свободу выбора нелинейных оптических кристаллов, поскольку последние для генерации красной, зеленой и синей составляющих должны быть прозрачными также лишь в ближнем ИК-диапазоне спектра. Наряду с сохранением энергии в процессах частотных преобразований необходимо обеспечивать и сохранение импульса (фазовый синхронизм) для эффективной генерации новых волн. Как видно из таблицы I, для осуществления способа и реализации устройства могут быть подобраны соответствующие кристаллы, обладающие пригодными для этой цели физическими свойствами.

Предлагаемые способ и устройство допускают, в частности, использование нелинейных оптических кристаллов из семейства боратов, выполненных, например, из бета-бората бария (BBO) и трибората лития (LBO). Поскольку указанные кристаллы обладают достаточной прозрачностью в широком УФ-диапазоне спектра, с ними не возникает никаких проблем при генерации светового пучка синей области спектра, т.к. они практически не поглощают видимое излучение с его длиной волны. Кроме того, кристаллы на основе бората обладают очень высокими механическими, оптическими и нелинейно-оптическими свойствами. Это позволяет без каких-либо проблем генерировать световой пучок синей области спектра и в пределах средней выходной мощности свыше 1 Вт.

При использовании KTA-кристалла как для ОПГ, так и для смесителя 70 суммарной частоты и LBO-кристалла для смесителя 86 суммарной частоты в соответствии с примером выполнения по фиг. 5, а также при входной мощности лазера 29 Вт и длине волны 1064,3 нм была получена максимальная мощность 9 Вт для генерации белого. В частности, для светового пучка синей области спектра удалось получить мощность до 4 Вт. С помощью диодных лазеров таких высоких показателей мощности до настоящего получать не удавалось.

При этом в состав системы для генерации трех световых пучков, которая подробно рассмотрена выше, входят лишь несколько основных функциональных элементов, которые, кроме того, при использовании представленных в описании процессов частотного преобразования обеспечивают получение простой конструкции с небольшим количеством компонентов, которая является компактной по занимаемой площади и по своим габаритам и отличается низкой электрической входной мощностью. Основными функциональными элементами являются в данном случае система на ИК-лазере 46, ОПГ-генератор 56 и система 62, в частности, с элементами 70, 76, 80, 86 или 88.

Реферат

Описаны способ и устройство для генерации по меньшей мере трех световых пучков различной длины волны для воспроизведения цветных изображений, при этом один из световых пучков имеет наибольшую, а один из световых пучков имеет наименьшую длину волны. Эти световые пучки получают с помощью оптического параметрического генератора (ОПГ) и других нелинейных оптических элементов на основе сигнального и/или холостого луча ОПГ и/или первичного светового пучка, производным которого является также пучок возбуждения ОПГ. Согласно изобретению от первичного светового пучка отделяют по меньшей мере один частичный световой пучок для возбуждения ОПГ, а световой пучок с наибольшей длиной волны, равно как и световой пучок с наименьшей длиной волны получают на основе сигнального и/или холостого лучей ОПГ путем умножения и/или смешения частоты с другим частичным световым пучком, отделенным от первичного светового пучка, при исключении составляющих других световых пучков, отличных от световых пучков, сгенерированных для воспроизведения изображений с наименьшей и наибольшей длинами волн. Технический результат - повышение КПД световых пучков при сокращении затрат. 3 с. и 17 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

Формула