JP3287362B2 - 特にカラー画像表示用の波長の異なる少なくとも３つの光束を発生させる方法及び装置 - Google Patents

特にカラー画像表示用の波長の異なる少なくとも３つの光束を発生させる方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特にカラー画像を表示させるための、波長
の異なる少なくとも３つの光束を発生させる方法に関す
るものであり、これらの光束の１つは最長の波長を有
し、他の光束の１つは最短波長を有しており、これらの
光束はOPOと、さらにOPOの信号ビーム及び／又はアイド
ラビームから及び／又はOPOを励起するビームも得るこ
とができる主光束から、より高次の高調波を発生する装
置及び／又は加算周波数ミキサ及び／又は減算周波数ミ
キサなどの非線形光学構成要素を用いる方法で得られ
る。
本発明はさらに、特にカラー画像を表示するための、
波長の異なる少なくとも３つの光束を発生する装置に関
するものであり、これらの光束の１つは最長波長を有
し、光束の他の１つは最短波長を有しており、この装置
は主光束を発生させるレーザと、主光束の部分光束によ
って、信号ビーム及び／又はアイドラビームを励起した
後に取り出すことができるOPOと、別の光束、すなわち
アイドラビーム及び／又は信号ビーム、をこの装置に導
入すると共に最長波長を有する光束と最短波長を有する
光束とをこの装置から一緒に取り出すことができる非線
形光学素子を有する装置とから構成する。
以後、使用する「部分光束」という表現は、本願では
ビームスプリッタによってスプリットされる光束のみな
らず、励起ビームの非変換構成要素として非線形結晶に
おいて形成され非線形結晶から放射される光束も意味す
る。
上述したタイプの装置は、例えばドイツ特許公告第19
504047号および国際特許出願公開第WO96/08116号から周
知である。この従来技術はもっぱら、カラービデオ装置
で使用する赤、緑および青のビームの発生に関するもの
であるが、この技術は印刷にも使用できる。この技術の
結合においては波長は必ずしも人間の目の色感度に従っ
て選択されていない、というのはそのような用途では、
レーザの色の選択はまた大体において、露光するフィル
ムまたは印刷する表面の感度に関して行われるからであ
る。さらに、この技術も３色に限定されない、すなわ
ち、現在では、例えば芸術写真などの高品質のカラー写
真は、通常４色さらには６色プリントなど３色以上のプ
リントによって作成されるため、この技術は波長の異な
る３つの光束に限定されることはない。
この技術は印刷産業などの他の分野にも適用できる
が、赤、緑および青色の３色のレーザービームのみを一
般に使用する例えばドイツ特許公告第4306797号から周
知のレーザビデオ工学技術を、本願では事実上参照して
きた。この種の用途においては、最短波長の光束は青で
あり、最長波長の光束は赤である。
現在の技術水準では、特に困難が遭遇するのは、十分
高い効率の経済的なレーザを用いて必要な最長波長の青
色光束を発生させることである。
ドイツ特許公告第19594947号および国際特許出願公開
WO96/08116号においては、レーザビデオを投影するため
の費用を減らすために、非線形光学素子の手を借りて個
々の赤外線レーザから、赤、緑および青色用の異なる波
長を有するすべての光束を得ることを提案している。例
えばドイツ特許出願第4219169号から周知の、以後OPOと
称する光学パラメータ発振器は、とりわけこの目的に使
用される。この種のOPOでは、励起光束が非線形光学結
晶に導入される。光学上の非直線性の結果として、結晶
の配向及び／又は温度及び／又は励起ビームの波長に依
存する異なる周波数の３つの付加的ビーム、すなわち信
号ビームとアイドラビームを、励起ビームの他に得るこ
とができる。
前述した従来技術によれば、信号ビームとアイドラビ
ームを次に互いにミクシングして、周波数加算によって
または別の非線形光学素子により高次の高調波を形成す
ることによって、レーザ投影に好適な波長を有する３つ
の光束を形成する。特に、緑のレーザビームの部分光束
は、この目的に加えて、青の光束と赤の光束、すなわち
最短波長の光束ならびに最長波長の光束を効率的に発生
させるために使用する。
OPO、周波数ミクシングおよび高次高調波の発生につ
いての特殊な技術に関して、特に前述した従来技術やそ
こで引用されている参照文献に対して参照を行ってき
た。
とりわけ国際特許出願公開WO96/08116号は、この技術
を実現するために有用である。そこではOPOを用いて波
長の異なる３つの光束を発生させる各種の可能性が開示
されている。この文献には、OPO結晶についての材料選
択用のテーブル、これらの材料が信号ビームとアイドラ
ビームについての可能にする波長ならびに考慮すべき物
理的パラメータ、精度を規定する必要な温度、動作温
度、および結晶の切断または配向ならびに当業者に必要
な調整装置や加熱手段を用いて該当するOPOを製作する
ことを可能にするデータも含まれている。
しかしながら、これらのテーブルを考察すると、実際
に使用できるカラー表示用のレーザ装置については広範
囲の妥協をしなげればならないことが分かる。高温の精
度を必要とするため、室温より高い温度で結晶を扱わな
ければならないことが多いか、または表示された可能性
は遠赤外線領域または紫外線領域の波長の光束を使用す
ることに依存している。遠赤外線領域または紫外線領域
では、多くの表示された結晶においては、わずかな透明
度しか期待できない、すなわち結晶がレーザのエネルギ
ーの一部を吸収するので、位相マッチングひいては必要
な規定精度に対する温度の安定化を困難にして、その結
果ビデオ投影に使用できる光束の強度を減少させる、す
なわち効率を悪化させてしまうことになる。実験がこれ
まで示しているように、結晶がエネルギーを吸収する
と、予測なく結晶を破壊してしまうことすらある。
結晶を室温以上の動作温度で使用する場合、電源の投
入後の初期のウォームアップ時間が必要となるため、ビ
デオ装置が適切に動作するために必要な十分に高い安定
性は、長い時間がたった後で始めて得られることにな
る。熱出力を一層高くして変動率を向上させれば、この
始動時間を短くできるが、これには電子機器の改善を必
要とすることになる。
従って、本発明の目的は、従来技術からの構成に対し
て別の方法を見つけることであり、この方法はOPOや付
加的な非線形光学素子の手を借りて波長の異なる複数の
光束を発生させる装置についての利点を有し、実際に使
用可能な極めて経済的な方法を可能にすると共に、エネ
ルギーの利用率の高いカラー画像表示用の光束に対して
効率を上げることを可能にする。
前述した方法による処理方法において、この目的は、
少なくとも第１の部分光束がOPOを励起する主光束から
分離されること、また最長波長の光束と最短波長の光束
が、OPOの信号ビーム及び／又はアイドラビームから主
光束の別の部分光束と周波数乗算及び／又は周波数ミク
シングによって、画像表示するための最短波長と最長波
長とを有する発生した光束以外の光束の構成要素を取り
除くことによって得られることに適している。
ビデオ投影用の３つの光束を有する例に対して実行す
る場合、このことは、赤の光束と青の光束とを発生させ
る従来技術の方法とは対照的に、本発明は緑の光束との
周波数ミクシングを利用しないことを意味する。その代
わり、信号ビーム及び／又はアイドラビームとミクシン
グするために使用する光束は、OPOを励起する赤外線光
束と同様の周波数を有する。このため、実施例と計算を
用いて後述するように、カラー表示用の光束が発生して
いる間に生ずる最小の周波数を、近赤外線領域、特に2,
000nm以下の波長で生ずるように選択することは可能で
ある。
本発明では、この周波数ミクシングに使用する部分ビ
ームの周波数は、最長波長と最短波長を持つ光束、すな
わちそれぞれの極値を持つ光束によってほぼ決定され
る、このことは信号ビームおよびアイドラビームともし
くは周波数増倍動作によって得られる光束と周波数ミク
シングにすることによって、必要なら近赤外線領域まで
近づいたほぼ可視領域でカラー表示用の光束を発生させ
る方法において、使用する光束を選択することが可能と
される理由である。
このことによって、非線形光学素子の材料選択に対し
て相当な利点が得られる、というのはこの場合は、この
種の結晶が一般に透明である狭く定義された特別な領域
のみが必要とされるからである。実際に使用される方法
の目的のためには、このことは、吸収損失の小さい好適
な結晶を一層広い範囲で選択できることを意味する。従
って、特に、吸収や位相のミスマッチによる結晶の加熱
も減らすことができ、この結果別の調整についての費用
も削減できることになる。
驚くべきことに、本発明による方法の実施例では、不
要な紫外線構成要素も著しく減少することが示された。
最短波長を有する光束、すなわちレーザビデオ装置では
青のビーム、に対して効率を一層高くできることに加え
て、紫外線放射によるこれらの部品が損傷される可能性
が減少するため、この方法を実行する装置内の光学素子
の有効寿命が長くなる別の利点がある。このため、この
種の画像発生装置に対するメンテナンスの要求事項は減
少する。
緑のビーム、すなわち最短波長および最長波長を有す
る光束以外のカラー表示用の光束は、後者の光束を発生
させるためにはまったく使用しないというさらに別の利
点が生じる。これによって、カラー表示用のレーザビー
ムの出力の安定性については、緑のビームを周波数ミク
シングに使用した従来の実施例よりも、著しく高い安定
性が得られる。従来技術では、緑のビームの不安定性が
青のビームと赤のビームに直接影響を与えることになる
ので、調整に必要な費用は本発明による方法よりも原則
的にはるかに大きくなる。このように、本発明はまた極
めて経済的である。
さらに、この方法を一層好適に発展させると、カラー
画像表示用の主光束または主光束の一部からの周波数乗
算によって、最短波長と最長波長の光束の１つ以外の少
なくとも１つの光束が得られる。
これらの方法によれば、本発明には可能な少なくとも
３つの光束と同数の光束を、カラー画像表示用の個別の
レーザによって発生させる利点がある。本発明をこのよ
うにさらに発展させれば、すべての３つの光束を一層経
済的に得られるので、前述したレーザビデオ投影装置に
おけるように、この利点は３つの光束の場合に特に明白
である。
特に、周波数乗算によって、赤、緑および青の原色を
有するこの種のビデオ投影装置における緑の光束を発生
させる。従って、500nm程度の波長の緑の光束は、約1,0
00nmに周波数増倍した主光束または約1,500nmに周波数
を３倍増した主光束についての波長を決定する。このこ
とは、過度の周波数乗算をしない高い効率の場合、いず
れも場合も、主光束は少なくとも2,000nm以下の波長を
有することを意味するものであり、このため本発明をま
た一層発展させれば、この方法を実施する装置のスペク
トル領域は狭められることになる。このスペクトル領域
が狭いために、透過性についてのスペクトル領域が狭い
結晶を選択することに関する前述した利点が生じる。
本発明をさらに好都合に発展させれば、主光束は周波
数乗算用の非線形光学結晶を通って伝搬する。OPOを励
起する主光束の周波数を持つ光束と、画像発生用の別の
光束の２倍の周波数を持つ光束とがこの結晶から取り出
される。
このさらに発展させた方法は、実施例で示す緑の光束
を得るために特に好適な構成に関するものである。第１
に、このさらなる発展した方法による主光束は、緑の光
束の周波数の半分に、すなわち主光束の波長が約1,000n
mに制限される、このことはOPOの動作についてのスペク
トル領域を特に狭めることになり極めて好都合である。
第２に、OPOを励起する主光束を周波数増倍用の結晶か
ら同様に取り出す。これにより、主光束を種々の部分光
束にスプリットするための特別なスプリッタミラーを不
要にできる。このように費用も減らすことができ好都合
である。さらに、カラー画像を表示するために高い効率
を得るように、少なくとも３つの光束を発生させるため
の主光束の光出力の最大の構成要素を結果的に利用す
る。
本発明の好適なさらに発展した方法においては、最長
波長の光束は、アイドラビームとの周波数ミクシングせ
ずにもっぱらOPOの信号ビームと主光束の部分光束とか
ら発生され、最短波長の光束は、アイドラビームの高次
高調波と最長波長の光束の部分光束から発生される。
OPOにおいては、信号ビームの周波数とアイドラビー
ムの周波数との和は、光子のエネルギー保存により励起
ビームの周波数に等しい。従って、アイドラビームがこ
の方法において遠赤外線領域にある場合、信号ビームは
近赤外線領域または場合によっては可視領域にある。こ
のため、最長波長および最短波長を持つ光束を発生させ
るための次の周波数ミクシングについては、狭いスペク
トル領域しか必要としない。このことは非線形光学結晶
を選択する場合に特に好適であり、すでに説明してきた
利点がこのように発生する。
アイドラビームが遠赤外線領域にある場合、このアイ
ドラビームはカラー発生用には使用する必要がないの
で、このさらなる発展の方法は特に好都合である。
導入部で述べた装置については、前述した目的は以下
に述べることに適合している、すなわち、OPOの励起用
に設けた光束ならびに付加的な光束は主光束の部分光束
であり、また最長波長を有する光束ならびに最短波長を
有する光束は、非線形光学素子を持つ装置において、も
っぱら付加的な光束、信号ビーム、アイドラビーム及び
／又はアイドラビームの高次高調波から、画像表示用の
最長波長と最短波長を持つ光束以外の光束の手を借りる
ことなく発生できる。
この装置では、従来技術からの同様な方式おいて周知
の非線形光学素子を含む装置によって、この方法を実行
する。従来技術で同様に示したこの種の装置の構成は、
実際に使用可能なカラー画像表示用の少なくとも３つの
光束を発生させる装置が本発明によって可能であること
を簡略化して図示している。
この方法に関する本発明のさらなる発展させた方法に
ついて前述した利点は、以下に示すように装置をさらに
発展させることによっても実現できる、すなわち ・非線形光学結晶を設け、この光学結晶に主光束の別の
部分光束または主光束自体を入射させて、この結晶の非
線形光学動作の結果としてこの光学結晶から発生する光
を、最短波長または最長波長を有する光束の１つ以外の
カラー画像表示用の光束をフィルタ処理できる波長選択
性フィルタに導入すること、 ・さらに、このフィルタまたは別のフィルタによって、
別の光束をこの非線形光学結晶から取り出すことがで
き、この光束を、OPOを励起する部分光束として及び／
又は最短波長または最長波長を有する光束を発生させる
ための部分光束として、非線形光学素子を持つ装置に導
入すること、 ・及び／又は、OPOは赤外線のアイドラビームを発生で
きる結晶を有し、OPOの信号ビームおよび主光束の部分
光束のみを、非線形光学素子を有する装置に導入するこ
と。
本発明の別の好適なさらに発展させた方法において
は、1,020nmと1,080nmとの間の波長の光を放出するレー
ザを設ける。このようにレーザの波長を決定することに
よって、装置で使用する非線形光学結晶に対してスペク
トル領域を特に狭くすることができ、これによって材料
選択に関して、また特に結晶の透明性に関して、前述し
た利点が生じることになり、その結果調整機器を減らす
ことができる。異なるビデオ規格で、すべての可能なカ
ラーを表示するビデオ投影装置用のすべての３つのカラ
ーを、この波長のレーザによって好適で特に経済的な方
法で発生できることがさらに示されている。
本発明の以下のさらに発展させた方法は特に、機器内
で使用する非線形光学素子を有する装置についての経済
的な構造に関するものである。
このタイプの第１の好都合なさらに発展させた方法に
おいては、第１の加算周波数ミキサを、非線形光学素
子、OPOの信号ビームの少なくとも１つの部分光束、お
よびこの加算周波数ミキサに導入する主光束の部分光束
から構成する装置内に設けて、最長波長の光束をこの加
算周波数ミキサから取り出す。
このようにして、最長波長の光束を非線形光学結晶に
よって、高い効率でかつ簡単な方法で経済的に発生でき
る。
本発明の別の好適なさらに発展させた方法において
は、非線形光学素子と、最長波長の光束の部分光束と、
および信号光ビーム及び／又はアイドラビームから得ら
れる別の部分光束とまたはこの第２の加算周波数ミキサ
に導入された高次高周波とを有する装置の中に、第２の
加算周波数ミキサを設け、ここにおいて最短波長の光束
をこの加算周波数ミキサの出力側から取り出すことがで
きる。
この場合でも、青の例で使用している最短波長の光束
に関しては、ほぼ１つの個々の加算周波数ミキサだけし
か必要としない。しかしながら、この関係では２つの可
能性がある、すなわち信号用光束の部分光束またはその
高次高調波のいずれかが、第２の加算周波数ミキサに導
入される。第１の可能性のほうが、光学素子の数が少な
いためより経済的である。
高次高調波を発生させるために、追加の非線形結晶を
第２の可能性では使用するが、この構成にすることによ
って効率が増加する場合、費用をさらに減らすことがで
きる。
次の２つの別の発展させた方法では、後者の可能性を
利用しており、ここでは最短波長の光束を得るために、
周波数増倍したアイドラビームと周波数増倍した信号ビ
ームとを使用する。
本発明のさらに発展させた２つの方法のうちの第１の
方法では、アイドラビームの少なくとも１つの部分光束
が入射する周波数ダプラを使用して、この周波数ダブラ
によって得られた周波数増倍した光束を第２の加算周波
数ミキサに導入する。最長波長を有する光束またはその
一部も、この加算周波数ミキサに送られる。
この点で好適な本発明の第２のさらに発展させた方法
では、信号ビームの周波数を増倍する周波数ダブラを設
け、この周波数ダブラで周波数が増倍した信号ビームと
主光束の部分光束とが導入される第２の加算周波数ミキ
サを設けて、最短波長を持つ光束をこの第２の加算周波
数ミキサから取り出す。
本発明の前述したさらに発展した方法から明白なよう
に、これらのさらに発展した方法は、とりわけ、主光
束、信号ビームまたは最大波長の光束、すなわちビデオ
装置の例では赤色、を部分光束に分割する。この種のビ
ーススプリット動作は、例えば部分透過ミラーなどによ
って所定の部分光束が適当な感度でスペクトル散乱した
後に非線形光学素子から取り出すことによって実行でき
る。後者の例については、主光束の周波数を持つOPOか
ら出射する部分光束に対して参照を行い、この部分光束
も同様に、非線形光学素子を有する装置において主光束
の部分光束として周波数ミクシングするために使用でき
る。特に、それぞれの光束は、非線形光学結晶から共に
出射するとき、適当なダイクロイックミラーによって分
割できる。
光束のスプリット動作をどちらの方法でも実行して
も、正確な大きさの構成要素の係数すなわち比例係数を
用いて、装置の効率を経済的に向上できる。この点に関
しては、本発明の好適なさらに開発させた方法では、部
分光束にスプリットする場合、それぞれの比例係数は、
カラー画像を表示するための３つの光束をミクシングす
るときの白を表示する最大出力に対して決定される。カ
ラー表示用のレーザ出力は、このように最適に構成す
る。
このさらに開発させた方法では、当業者に周知の方法
で極値を求めることによって、比例係数を得る。この目
的のために、装置はどのような構成についても、選択し
た非線形光学素子に従って、少なくとも３つの光束をミ
クシングする場合に白色を表示する最大出力に対して、
方程式を公式化でき、この方程式には比例係数がパラメ
ータとして含まれる。これらのパラメータとゼロ設定に
従って方程式を導いた後、方程式の装置は周知の動作に
帰着し、この装置は次に極値を決定するために最適なパ
ラメータについての答えを与えられる。
前述した種類の分析手順に加えて、比例係数の最適化
を行う場合、市販のコンピュータ上の最適化プログラム
を使用することをさらに推奨する。結果として得られる
光束にスプリットするための比例係数により、機器につ
いてこの数値を決めることによって、画像表示動作に対
して特に高い有効な効率の光束が得られる。
本発明による方法および装置は、図面を参照しながら
実施例によって、以下に一層詳細に説明する。
図１はカラー表示用の装置の概略図である。
図２は、本発明を詳細に説明する実施例の概略図であ
る。
図３乃至図５はレーザビデオ装置用の最短波長と最長
波長とを有する光束を発生させるための各種の実施例を
示す。
図６はビデオ投影装置に使用できる装置用の主光束
を、好適にスプリットするための実施例を示す。
本発明は、すでに説明したように、印刷産業に使用で
きるが、以下の説明は主に３つの光束しか使用していな
いビデオ装置の実施例を利用している。これらの光束は
一般に、赤、緑および青の波長を持つものが選択され
る。青の光束は最短波長を有する光束であり、また赤の
光束は最長波長を持つ光束である。緑の光束は、カラー
画像を表示するための３つの光束の内の付加的な別の光
束である。さらに従来技術では、この緑の光束を一般に
使用して、赤の光束と青の光束とを発生させている。従
来技術とは対照的に、以後さらに詳しく説明するが、本
発明ではこのことは必要としない。
最初に、ビデオ装置の原理を図１に図示する。モノク
ロームの部分画像を表示するために、CIEチャートのス
ペクトル曲線で、従来の赤、緑および青色に相当するレ
ーザ波長を持つ３つのレーザ10,20および30を使用す
る。レーザ10,20および30が出射するこれらのレーザビ
ームは、スクリーン上にカラー表示するために、照明す
べき像点に好適な個々のカラー輝度を用いて、モジュレ
ータ12,22および32によって振幅変調する。３つのレー
ザビームは次にミラー系またはプリズム系40の中で単一
のビームにされて、偏向装置42によってスクリーン44に
投影される単一の同一線上の平行光束45を形成する。
この種のビデオ装置では最初に、極めて高価なレーザ
に頼らずに、十分高い効率の青のレーザビームを発生さ
せるという困難に遭遇する。次に図２〜図５に示す装置
では、十分高い輝度の光束を発生させるために、レーザ
光源10および30を置き換えることができる。さらに、緑
の光束を使用したレーザビームから発生させる場合、レ
ーザ20も図６の実施例に示す装置と交換できる。
図２は、図３〜図６による装置が概略図で動作する原
理を示す。第１に、主光束50は図６に示すレーザ46から
取り出されて、例えば部分透過キラーによってポイント
51で２つの部分光束52および54に分割される。部分光束
52は、次に光学パラメータオッシレータ56に、その後OP
Oに送られる。OPOには、その本質的な素子として非線形
光学結晶が含まれている。この結晶が非直線性と適当な
配向を有するため、信号ビーム58とアイドラビーム60と
をOPOから取り出すことができる。光子エネルギーの保
存の法則により、信号ビームの周波数ωｓとアイドラビ
ームの周波数ωｉとの和が、励起部分光束52の周波数ω
となるという方程式が結果として生じる。
図２によれば、部分光束54、信号ビーム58およびアイ
ドラビーム60が、非線形光学素子を有する別の装置62に
送られ、この装置62から、最短波長の光束64と最長波長
の光束66、すなわちそれぞれ赤と青の光束が取り出され
る。
さらにまた、光束52の部分ビームは、OPO56の結晶中
では別の周波数には変換されない。このことは、周波数
ωを有する別の部分光束もOPO56から取り出すことがで
きることを意味する。この部分光束も光束54と同様に使
用できるため、それぞれ赤と青の光束64および66の周波
数ωを有する主光束50の変換高率が増加することにな
る。
非線形光学素子を持つ装置62の構成方法は、図３乃至
図５に一層詳細に示されている。しかしながら、この装
置で重要なことは、この装置は加算周波数ミキサ、減算
周波数ミキサおよび高次高周波を発生させる構成を有す
ることである。これらの光学素子により、出射光束64お
よび66の周波数を得るために、次の一般方程式が得られ
る。
ωＲ＝NR・ω＋MR・ωｓ＋KR・ω１ ωＢ＝NB・ω＋MB・ωｓ＋KB・ω１ ここで、係数NR,NB,MR,MB,KR,およびKBは整数である。
加算する周波数ミキサをもっぱら使用する場合、これら
の加算周波数ミキサは常に正である。しかしながら、差
動周波数ミクシングも装置62に設けてある場合は、この
係数は負になることがある。
前述したωＲとωＢについての方程式は、図２による
構成の周波数ωは係数NR,NB,MR,MB,KR,KBを適当に選択
すれば、事実上任意の所望する方法で求めることができ
ることを示している。しかしながら、エネルギー保存の
結果発生する前述した関係の結果として、選択の自由は
別に制限される。
ω１＝ω−ωｓ この方程式を上記の方程式の系の中で置き換えると、
次の４つの独立した係数が与えられる。
ωＲ＝（NR＋KR）・ω＋（MR−KR）・ωｓ ωＢ＝（NB＋KB）・ω＋（MB−KB）・ωｓ ωｓがほぼ1/2ωの場合に、そのような装置の最大出
力が得られるとすれば、係数の評価に使用できる次の方
程式が得られる。
使用する非線形結晶は、ωＲおよびωＢならびにω
で、できる限り透明でなければならないということが要
求される場合、できるだけ遠くの近赤外線領域にのみ周
波数がくるように、2,000nm以下の波長が与えられるよ
うに値ωを選択する。約400nmの青のビームと約600nmの
赤のビームの波長については、結晶を最適に選択するに
は、次の要求事項を満たさなければならない。
これらの係数について結果として生ずる制限には、大き
な利点がある。係数の値は、装置62の非線形光学素子の
数量と直接関係している。前述した要求事項のために、
装置62は４つの非線形光学素子以下で常に実現できる。
これについては、特に図３〜図５の実施例によって一層
明らかにされるであろう。
従って、これらの評価は、狭いスペクトル領域、すな
わち青の領域の近赤外線領域で発生する周波数のみを使
用する図２の実施例では、最小の数量の非線形光学結晶
またこれによって少ない個数のビームスプリッタとミラ
ーしか必要としないことを示している。このため、図２
による装置は極めて経済的なものとなる。
さらに、前述したように2,000nmと400nmとの間のスペ
クトル領域の制限のため、例えば国際特許出願公開第96
/08116号から周知のものなどの非線形光学素子を使用で
き、これは室温で変動率については経済的な方法で動作
させることもできる。そのうえ、所定の狭いスペクトル
領域で十分に高い透明性を有するこの種の結晶は周知の
ため、図２に示す実施例を特に高い効率で構成できる。
幾つかの実施例を図３〜図５に示して、装置62をさら
に詳細に説明する。
これらのすべての実施例には、赤の光束64を発生させ
るために、個々に加算周波数ミキサ70を設ける。赤の光
束64は、部分光束54と信号光束58からまたはその部分光
束からの周波数を加算することによって発生させる（図
３、４および５）。
この目的に対して、個々に光学結晶しか必要とせず、
このため結果としてふさわしい経済的な構成が得られ
る。これによって、ＮR＝１およびＭR＝１の係数がこの
実施例に対して選択される。
図３の実施例では、加算周波数ミキサ（SFM）70から
出射した光束72は、赤の光束64と別の赤の部分光束74と
に分割される。この赤の部分光束74は、今度は青の光束
66を発生させるために使用される別の加算周波数ミキサ
76に送られる。
必要なミクシングを行うために、周波数ダブラ80（SH
G:第２高調波発生器）によって得られるアイドラビーム
60の２倍の周波数を持つ光束78は、加算周波数ミキサに
送られる。従って、この実施例では、方程式NB＝1,MB＝
１およびKB＝２を使用する。
この実施例では特に、部分光束74を加算周波数ミキサ
70から得られる光束72から分岐することによって、NB＝
１とMB＝１とを実現して、光学素子を節約している。図
１によるビデオ投影装置におけるこの分割について効率
を可能な最大にするためには、光束72を光束74と64とに
スプリットするための比例係数および主光束50を光束52
と54とにスプリットする比例係数を最適化する必要があ
る。白の最大可能な発光濃度がカラー画像表示に対して
達成されるような方法で分割が構成される場合に、最も
好適な最適化が達成されることが判明している。この最
も好適なスプリットファクタは、実験はまた上述した計
算のいずれかによって決定できる。
周波数ωによっては、図３の実施例におけるアイドラ
周波数は、OPO56または周波数ダブラ80の結晶の透明性
が不十分なスペクトル領域に存在することもある。その
場合、過度の吸収によって効率が低下してしまうかまた
はOPO56または周波数ダブラ80についての結晶の選択を
不必要に制限してしまうことがある。
次の場合には、光束64と66とを発生させるアイドラビ
ーム60をこの場合には使用しない、すなわち装置62は係
数KR＝KM＝０に制限されるため、上述したリスクが存在
しない２つの実施例を示す。この制限があるために、OP
O56それ自身と装置62の両方において、とりわけ非線形
光学結晶を選択する場合に好都合な結果が生ずる。
図４の実施例では、赤の光束を加算周波数ミキサ70か
ら直接取り出し、また主光束50の別の部分光束82と信号
ビーム58の周波数を２倍にした部分光束、すなわち光束
84と第２の加算周波数ミキサ86を経由させて、青の光束
を得る。この動作において、部分光束が青用の信号ビー
ム58から分岐して、これにより光束84が周波数ダブラ88
によって発生する。従って、図４は、NB＝１およびMB＝
２についての例を示している。
部分光束82は、主光束50や部分光束54などをスプリッ
トすることにより、部分光束54について示したように、
加算周波数ミキサ70またはさらに前のOPO56から取り出
すことができる。さらに、周波数ダブラ88に加えた部分
光束も、加算周波数ミキサ70から取り出すことができ
る、すなわちその変換されない構成要素をフィルタ処理
によって取り出すことができる。このことは、周波数加
算動作の間に加算周波数ミキサ70の中の結晶によって変
換されたい光子は、光束66の光の輝度を増加させるため
にも使用されるので、とりわけ効率を増加させることに
なる。
図５に、光束64と66とを形成するために、アイドラビ
ーム60は使用せず信号ビーム58のみを使用する別の実施
例を示している。図４の実施例から明らかなように、装
置62は２つの非線形光学素子、すなわち加算周波数ミキ
サ70および第２の加算周波数ミキサ86しか使用していな
い。図４とは異なり、信号ビーム58の部分光束と加算周
波数ミキサ70が発生した光束72の部分光束とは、第２の
加算周波数ミキサ86に送られる。この場合も、図４に示
す実施例と同様に、NB＝1,MB＝２となる。部分光束74は
加算周波数ミキサ70から部分光束として取り出され、ま
たこの部分光束74は加算周波数ω＋ωｓをすでに含んで
いるので、周波数ダブラ80などの他の構成素子を省くこ
とができる。
光束72を光束74と64とにスプリットすることに関し
て、図３で説明した注意を参照する必要がある。特に、
光学スプリットは、図１によるビデオ投影装置における
白の高い発光出力についての要求事項によって決定され
る。
図６の実施例ではさらに、OPOを励起するために使用
する主光束50と同時に、緑の光束90も発生できる方法を
示している。この目的ために、レーザ46が発生するレー
ザビーム92が、非線形光学結晶を通って導かれる。この
結晶が光学的非直線性を有するため、周波数ωの基本波
長と共に周波数２ωの高次高調波が発生する。フィルタ
96、例えばダイクロイックミラー、によって、周波数が
増倍された光束90とOPO56の励起用の主光束50としての
基本波長とを発生でき、この光束90はさらに信号ビーム
58とアイドラビーム60とを発生する。
光束90は、それを用いて緑の光束を発生できるような
周波数について選択する。510nmと540nmとの間の緑の波
長を使用すれば、結果として励起レーザ用の1020nmから
1080nmの波長が発生するので、この周波数範囲からする
と、このレーザはモード結合Nd;YLFレーザとなる。
このレーザ46は、パルス当たりの最大可能出力密度が
得られるようにまた最大可能効率が結晶94の非線形ミク
シングに基づいて達成されるように、パルス幅が10ps以
下のオーダのできるだけ短いパルスで動作するレーザで
なければならない。
図５と図６の実施例の組合わせは、３つの光束を発生
させるために必要な結晶の数を最小にできるだけでな
く、ビームの誘導に光学素子の数を最小にできるため、
図１によるビデオ装置を動作させる装置に対して特に好
適である。
表１は、対応する結晶に対して使用できる各種の材料
のリストを含んでおり、図３〜図６の実施例に対して付
属する。表１の第１コラムには、各場合に使用する非線
形光学結晶を列挙しており、ここでは対応する光学結晶
に関する参照番号と図面を表示しているものもある。第
２コラムにそれぞれの波長変換をリスト表示する。そこ
に表示したすべての変換は、波長が1064.35nmのNd:YVO4
固体レーザをレーザ46として使用するビデオ投影用の赤
と青の光束を実現させることに関する。その次のコラム
には、赤の光束または青の光束の波長を示す。さらに次
のコラムには、可能な非線形光学結晶を示す。この非線
形結晶は、従来技術で一般に使用されている次の略語で
示す。
LBO LiB305 トリホウ酸リチウム KnbO3 ニオブ酸カリウム LiNbO3 ニオブ酸リチウム Banana Ba2NaNb5O5 オブ酸バリウムナトリウム BBO beta−BaB2O4 ホウ酸ベータバリウム KTA KtiOAsO4 ヒ酸カリウムチタニル KTP KTiOPO4 リン酸カリウムチタニル RTP RbTiOP04 リン酸ルビジウムチタニル RTA RbTiOAsO4 ヒ酸ルビジウムチタニル CTA CsTiOAsO4 ヒ酸セシウムチタニル 次の複数のコラムは、所望の波長に対する結晶の物理
的パラメータを示しており、結晶の軸（または複数の
軸）に対する励起レーザ光の伝搬方向への角度が、「角
度」という見出しのコラムに記載されている。「平面」
という見出しのコラムは、２軸光学非線形結晶の主平面
を示しており、ローマ数字ＩおよびIIは、従来技術と同
様に、位相整合タイプを明らかにする。正常波長を
「ｏ」で示し、異常波長を「ｅ」で示す。
「温度」は、℃の単位で位相整合が発生する温度を示
す。表における「RT」の表示は、非線形変換が室温で実
行できることを示している。
略語「FOM」は、「性能指数」を指す。この変数は、
非線形相互作用の輝度の大きさである。これは、次式で
定義する。
deff 2/（n1n2n3） ここで、deffは、結晶の有効非線形係数であり、n1、n2
およびn3は、該当する波長の屈折率である。
次のコラムで示す角度は、ウォークオフ角度である。
これは、新規に形成する波長（または複数の波長）の発
生したビーム方向に対するエネルギーの流れの角度のこ
とを言う。
次の３つのコラムは、波長、角度および温度について
の、それぞれの非線形処理に対する受入れ幅である。結
晶の長さＬについての受入れ幅の依存性は、掛け算する
ことによって取り除かれる。
図面に関連する表によって、本発明を実現する可能性
が多数あることをはっきりと示している。発生するレー
ザビームは、白の発光密度が高い十分な出力を有するビ
デオ画像のカラー表示に使用される。カラービデオ画像
を表示する許容レーザ出力について、これらの代替方法
に供給する必要のあるレーザ光源の全体出力は、30W以
下である、すなわち冷却手段や電圧変動に大変な費用を
掛けることなく、常にビデオ装置を構成できる範囲内に
ある。
赤、緑および青を発生させるために、両者とも2000nm
以下の波長の近赤外線領域にある基本波長と信号波長の
放射光束を使用することによって、より長い波長のアイ
ドラビームの領域では透明である必要がないので、一般
的な（標準の）部品を使用できるようになる。特に、使
用するのに近赤外線波長であるため、赤、緑および青を
発生させるために透明である必要があるのは近赤外線領
域だけでよいため、本願で説明した方法と装置における
非線形光学結晶の選択の幅をより広くすることができ
る。周波数変換処理におけるエネルギー保存に加えて、
パルス保存（位相整合）は新しい波長を効率よく発生さ
せるために選択しなければならない。表１に示すよう
に、この方法と装置のために適当な物理的特性を有する
好適な結晶を選択できる。
特に、この方法と装置によって、ホウ酸族、例えばホ
ウ酸ベータバリウム（BBO）やトリホウ酸リチウム（LB
O）の非線形光学結晶も使用できる。これらの結晶は紫
外線に対して十分に透明なので、その波長の光をほとん
ど吸収しないため、青の光束を発生させることについて
の問題はない。さらに、ホウ酸塩の結晶は、極めて優れ
た機械的、光学的または非線形の光学特性を備えてい
る。従って、青の光束を発生させることは、1W以上の平
均出力パワーの範囲でも可能である。
図５の実施例に基づいて、OPOと加算周波数ミキサ70
にKTAを、また加算周波数ミキサ86にLBO結晶を用いて、
レーザ入力パワー29W、波長1064.3nmにおいて白を発生
させるために、9Wの最大出力が達成される。特に、最大
4Wの青の光束の出力を発生できた。以前は、ダイオード
レーザを用いてそのような高出力を実現できなかった。
前述の説明で詳細に示したような３つの光束を発生さ
せるシステムは、本願で説明した周波数変換方法を使用
すれば、わずかなスペースしか必要とせずまた電気的入
力パワーを小さくできる、数個の機能決定素子だけで構
成できる。この機能決定素子は、赤外線レーザシステム
46,OPO56、および、特に素子70,76,80,86または88を備
える装置62である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/39 H04N 9/31 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】特にカラー画像表示用の赤光束（64）、緑
    光束（90）及び青光束（66）を含む少なくとも３つの光
    束（64,66,90）を主光束（50）から発生させる方法であ
    って、赤光束及び青光束は、OPO（56）と、高次高調波
    を発生させる装置及び／又は加算周波数ミキサ及び／又
    は減算周波数ミキサのような別の非線形光学構成素子と
    を用いる処理で、OPO（56）の信号ビーム及び／又はア
    イドラビーム（58,60）から及び／又はそこからOPO（5
    6）を励起するビーム（52）も得られる主光束（50）か
    ら得られ、緑光束は主光束又はその部分光束の周波数乗
    算によって得られる方法において、前記主光束（50）の
    第１の部分光束（52）が、信号ビーム（58）及びアイド
    ラビーム（60）を生成するためのOPO（56）を励起する
    ために使用されることと、赤光束（64）が前記信号ビー
    ム（58）と前記主光束の別の部分光束（54）との周波数
    ミクシングによって前記別の非線形光学構成素子の一方
    （70）から得られ、前記青光束（66）が、前記別の非線
    形光学構成素子の他方（76;86）から、前記信号ビーム
    （58）及び周波数倍化されたアイドラビーム（78）のい
    ずれか一方と前記赤光束の部分光束（74）との周波数ミ
    クシングによって得られることとを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】前記主光束（50）は周波数乗算用の非線形
    光学結晶（94）を通って導出されたものであり、前記主
    光束（50）と同じ周波数を持ちかつ前記OPOを励起する
    ための前記第１の部分光束（52）としての光束と、前記
    主光束の周波数を２倍にした周波数を持ちかつ画像発生
    用の前記緑光束（90）としての光束とが、前記結晶（9
    4）から取り出されることを特徴とする請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】特にカラー画像表示用の赤光束（64）、緑
    光束（90）及び青光束（66）を含む少なくとも３つの光
    束（64,66,90）を発生させる装置であって、 主光束（50）を発生させるレーザ（46）と、 前記主光束（50）から生成された第１の部分光束（52）
    により励起された後、信号ビーム及び／又はアイドラビ
    ーム（58,60）を発するOPO（56）と、 別の光束（54）、アイドラビーム及び／又は信号ビーム
    （58,60）が導入され、赤光束（64）と青光束（66）と
    が一緒に取り出される、非線形光学素子を有する装置
    （62）と、 前記主光束の別の部分光束（92）または前記主光束自身
    が入射し、非線形的光学動作の結果として発生する光
    を、前記緑光束（90）を除去する波長選択フィルタ（9
    6）に導入する非線形光学結晶（94）とから構成する装
    置において、 前記別の光束（54）が前記主光束（50）の第２の部分光
    束（54）であり、かつ前記赤光束（64）が、非線形光学
    素子を有する装置（62）内で、前記第２の部分光束と前
    記信号ビーム（58）とから周波数ミクシングによって発
    生され、前記青光束（66）が、非線形光学素子を有する
    前記装置（62）内で、前記信号ビーム及び周波数倍化さ
    れたアイドラビーム（78）のいずれか一方と、前記赤光
    束の部分光束（74）とから、周波数ミクシングによって
    発生されることを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】更なる光束が前記波長選択フィルタ（96）
    または別のフィルタによって前記非線形光学結晶（94）
    から取り出されると共に、この更なる光束が、OPO（5
    6）を励起するための第１の部分光束（52）として、及
    び／又は青光束及び赤光束（64,66）を発生するための
    第２の部分光束（54）として、前記装置（62）に導入さ
    れることを特徴とする請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】OPO（56）が赤外線のアイドラビーム（6
    0）を発生できる結晶を有すると共に、このOPOの信号ビ
    ーム（58）および主光束（50）の部分光束（54）を非線
    形光学素子を有する装置（62）に導入することを特徴と
    する請求項３又は４に記載の装置。
  6. 【請求項６】レーザ（46）が1020nmと1080nmとの間の波
    長を有する光を出射することを特徴とする請求項３乃至
    ５に記載の装置。
  7. 【請求項７】第１の加算周波数ミキサ（70）を非線形光
    学素子から成る装置（62）内に設けて、OPO（56）の信
    号ビーム（58）の少なくとも１つの部分光束と主光束
    （50）の部分光束（54）とを前記第１の加算周波数ミキ
    サ（70）に導入すると共に、赤光束（64）を前記第１の
    加算周波数ミキサ（70）から取り出すことを特徴とする
    請求項３乃至６に記載の装置。
  8. 【請求項８】第２の加算周波数ミキサ（76;86）を非線
    形光学素子を有する装置（62）内に設けて、赤光束（6
    4）の部分光束（74）と信号光ビーム（58）から得た別
    の部分光束及び／又はアイドラビームまたはその高次高
    調波とを前記第２の加算周波数ミキサ（76;86）に導入
    すると共に、青光束（66）を前記第２の加算周波数ミキ
    サ（76;86）の出力側から取り出せることを特徴とする
    請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】アイドラビーム（60）の少なくとも１つの
    部分光束が入射する周波数ダブラ（80）と、この周波数
    ダブラ（80）によって得た周波数を２倍にした光束（7
    8）を第２の加算周波数ミキサ（76）に導入することを
    特徴とする請求項８に記載の装置。
  10. 【請求項１０】部分光束（52,54,74,64）にスプリット
    する場合、カラー画像表示するための少なくとも３つの
    光束（64,66,90）をミクシングするときに白を表示する
    最大出力用にそれぞれの比例係数を決定する請求項３乃
    至９に記載の装置。
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