三原色光源 RGB sources

2022-10-27 14:26:07 浏览:399

定义

红、绿、蓝光源,通常以激光束的形式提供。

RGB光源是同时发出红光,绿光和蓝光的光源。这些信号源主要用于彩色显示应用,例如大屏幕视频节目。通过混合不同量的红、绿、蓝光,可以获得多种颜色(加色混合,见图1)。可能的波长组合是红色为 630 nm,绿色为 532 nm,蓝光为 465 nm。

许多目前使用的投影显示器(“光束”)都基于弧光灯,并结合了各种滤色片。虽然弧光灯比具有相当输出功率的激光源便宜得多,但它不允许高墙插效率,使用寿命有限,并且输出的空间相干性差,限制了可实现的图像质量。此外,可用的色彩空间不是很大。因此,正在研究可以提供更宽色彩空间、更好的空间相干性(光束质量)和更高功率效率的激光源。这种RGB激光源以激光束的形式发射光 - 每种颜色一个光束,或将所有颜色组合在一个光束中。它们可以理解为一种特殊的多线激光器。

图1:红光、绿光和蓝光的加性混合,例如通过叠加来自三个光源的输入,可以产生白光,如中心所示。通过混合这些贡献的可变强度可以实现广泛的其他色调。

颜色感知和色度图

色彩感知不仅仅是物理学的问题,而是取决于我们眼睛的工作。人眼的视网膜只包含三种不同的受体,对不同波长的光具有不同的敏感性。(实际上还有第四种受体具有另一条光谱响应曲线,但这仅用于极低光水平下的视觉。颜色的感知基于记录三种受体激发的相对强度。因此,感知到的颜色仅投影到三维空间。(大多数哺乳动物实际上只使用两种不同的颜色受体,将颜色感知缩小到二维。因此,如果忽略改变每种颜色的光学强度的可能性,则所有感知的颜色都可以位于图1所示的二维色度图中。

图2:根据CIE 1931的色度图。具有不同波长的单色光对应于彩色区域的边缘(以纳米为单位的波长值表示)。当然,颜色无法正确再现,因为没有屏幕和打印机可以再现整个颜色范围。

在基于激光的RGB源的情况下,红色,绿色和蓝色光束通常具有相对较窄的光学带宽,即它们接近单色。在色度图中,这种光束与彩色区域边界(人类视觉的色域)的点相关联。例如,通过混合三个单色光束,可以再现所有这些颜色,这些颜色位于由相应点跨越的三角形中。相比之下,阴极管显示器、基于灯的投影仪或彩色打印机的可访问颜色范围是一个三角形,边缘位于图表内,因此跨度区域通常要小得多。基于激光的投影系统的一个重要进一步改进将是增加第四个波长。

显色性和发光效率

RGB光源的三个波长的选择决定了所谓的显色指数(CRI),这是一个定量的衡量标准,当物体被由三个光谱分量组成的白光照射时,判断物体颜色的能力。此外,波长的选择会影响光源可能的发光效率,并且这两个方面可能相互冲突。例如,长波长的红光束在显色性方面是有利的,但往往会降低发光效率,因为人眼的灵敏度随着该区域波长的增加而迅速下降。

颜料(例如油漆、染料或油墨)比激光束更难获得良好显色性的原因是颜料在减色混合的基础上工作,并且这种方法不允许将相对明亮的颜色与窄的光学带宽相结合:如果颜料要产生非常“纯净”的颜色(接近单色光), 它必须吸收窄波段之外的所有光,并且只留下一小部分入射光功率。相反,例如,亮黄色颜料不仅要透射黄色,还要透射大量的红光、橙光和绿光,否则它看起来不亮。然而,这种不同波长的混合物不能对应于颜色图中靠近单色光束所在边界的点。

请注意,实用的基于激光的RGB源的可用性不会自动实现在宽色彩空间中具有忠实色彩呈现性的娱乐投影显示。还需要覆盖如此宽广色彩空间的视频材料。当前使用的视频基于较小的色域,因此颜色信息会丢失。视频的小色域可能会转换为显示器的较大色域,但在这种情况下,显色性将不忠实。

所需功率水平和光束质量

每种颜色低于 1 W 的光功率足以用于投影面积可达几平方米的室内数字投影显示器(环境光不太多)。对于手持设备,即使几十毫瓦也足够了,尽管在非最佳环境光条件下运行需要更高的功率水平。电影放映机每色需要 10 W 或更高。合适的放映机技术已经存在,但RGB光源尚未达到足够的功率,成熟度和成本效益,例如在电影院中的应用。对成本敏感度较低的较小市场是飞行模拟器领域。

在大多数情况下,RGB光源需要具有合理甚至良好的光束质量,例如,如果显示器包含逐点扫描显示像素的投影仪;在这里,足够小的像素尺寸(高分辨率)需要高光束质量。对于其他投影机类型,光束质量要求可能较低。

用于立体视觉的 RGB 光源

有一些特殊的RGB源可用于立体显示,称为6P RGB源。对于每种红色,绿色和蓝色,它们具有两个波长不同的光谱分量,例如20nm。为了观看,可以使用特殊的滤光玻璃,左眼只透射一组波长(R1,G1,B1),右眼的另一组波长(R2,G2,B2)。这样,人们可以为两只眼睛产生独立的图像。

功率调制

根据投影机引擎的类型,RGB 源的三个组件可能必须根据视频信号进行功率调制,也可能不必。在扫描投影机的情况下最常需要功率调制,特别是在低功耗微型设备的情况下,使用外部光调制器是不切实际的。所需的调制带宽通常在数十兆赫兹左右,甚至(对于更高的分辨率)>100 MHz。当使用激光二极管时,这是可能的,但当涉及掺杂绝缘体固态激光器时,则不然。

光带宽

对于不同的应用,光带宽方面的要求可能非常不同。对于全息等某些应用,需要单频源。对于显示器中的应用,较窄的激光带宽可能是有害的,因为它很容易导致令人不安的激光散斑效应。虽然这些也可以通过特殊的显示屏来减少,但对于此类应用,希望具有大量的激光源带宽。

其他应用

RGB激光源不仅用于彩色投影显示器,还用于其他一些领域:

  • 低功耗版本适用于增强现实显示器。
  • 某些系统可用于生成全彩数字全息图。
  • 另一个应用是测试和检查。用不同颜色拍摄的图像可以提供大量的附加信息。
  • 照明应用也是可以想象的,尽管RGB激光器的高成本通常使这变得困难。

基于激光的RGB源的类型

可以采用不同的方法来构建RGB源;下面讨论最重要的问题。

组合三个激光器

一种可能性是使用三个激光器,每个激光器发射具有所需颜色的光。然而,问题在于,与近红外激光器相比,可见光激光器的性能受到严重限制。使用红色和蓝色激光二极管可以产生至少几百毫瓦的几乎衍射限制的输出,这对于不太大的室内投影显示器来说已经足够了,而不幸的是,没有具有类似性能和足够长的使用寿命的绿色激光二极管。因此,绿光通常必须通过腔内频率加倍与Nd:YAG或Nd:YVO4激光发射波长为 1064 nm。

还有一些RGB源,其中不仅产生绿光,而且以倍频产生红光和蓝光。代替上面讨论的二极管泵浦YAG激光器,可以使用二极管激光器进行所有颜色。在中等功率水平(例如功率量级为1 W的连续波激光器)下,无法通过非线性晶体的单次通道实现有效的倍频,但前提是使用单频激光器,则通过谐振倍频来实现。如果半导体激光管不能直接达到所需的光功率水平,则可以使用放大器,例如锥形半导体放大器或光纤放大器。

腔内倍频VECSEL和波导中具有单程倍频的器件也吸引了越来越多的兴趣,因为它们具有具有成本效益的大规模生产潜力。在这里,人们使用高功率激光二极管泵浦半导体芯片,半导体芯片是带有外部谐振器的激光器的增益介质。这些谐振器中的每一个都包含一个非线性晶体,可能还有一个带通滤波器。

单激光器,非线性频率转换

另一种选择是从单个高功率二极管泵浦固态激光器开始,通过非线性变频级的组合生成所有三种颜色。

例如,可以从 1064 nm 开始,通过倍频产生 532 nm 绿光,使用其中的一部分泵浦光学参量振荡器,发射信号,例如在 631 nm(红色输出)和 920 nm 处发射惰轮。后者可以加倍频率以获得 460 nm 的蓝光。

如果使用锁模激光器,则频率转换将大大简化,该激光器产生具有足够高峰值功率的超短脉冲,以实现高效的单程转换。例如,这种基于皮秒钒酸盐激光器的系统已被开发用于商业RGB投影显示器,每种颜色具有多瓦输出。此外,这一概念已在 1030 nm 的被动锁模薄盘 Yb:YAG 激光器中得到证明,可为所有颜色产生多瓦的平均输出功率 [3]。

还有许多其他可能的方案,涉及参数振荡器、倍频器、求和混频器等的不同组合。这种转换方案的评估和比较是一项复杂的任务,因为不同非线性转换级的性能不仅取决于晶体材料,还取决于光学(峰值)功率、脉冲持续时间和相位匹配问题。

这种方法的一个可能问题是,不同颜色的光学波长不能独立优化。例如,红光的较长波长可能导致蓝光的波长较短,不再处于理想范围内。

参考文献

[1] G. Hollemann et al., “High-power laser projection displays”, Proc. SPIE 4294, 36 (2001), doi:10.1117/12.420786
[2] S. Muthu et al., “Red, green, and blue LEDs for white light illumination”, J. Sel. Top. Quantum Electron. 8 (2), 333 (2002), doi:10.1109/2944.999188
[3] F. Brunner et al., “Powerful RGB laser source pumped with a mode-locked thin disk laser”, Opt. Lett. 29 (16), 1921 (2004), doi:10.1364/OL.29.001921
[4] X. P. Hu et al., “High-power red–green–blue laser light source based on intermittent oscillating dual-wavelength Nd:YAG laser with a cascaded LiTaO3 superlattice”, Opt. Lett. 33 (4), 408 (2008), doi:10.1364/OL.33.000408
[5] R. Wallenstein, “Process and apparatus for generating at least three laser beams of different wavelength for the display of color video pictures”, U.S. Patent 5 828 424 (1998)

非线性光学

作          者: 泮桥成像光电商城

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