Лазерний RGB-проектор однорідного безспеклового освітлення, що заснований на компактній пасивній системі некогерентного фокусування

Автор(и)

  • А. С. Лапчук Інститут Проблем Реєстрації Інформації НАН України, Україна
  • О. В. Пригун Інститут Проблем Реєстрації Інформації НАН України, Україна
  • І. В. Горбов Інститут Проблем Реєстрації Інформації НАН України, Україна
  • Є. М. Морозов Австрійський технологічний інститут, Австрія
  • Ю. О. Бородін Інститут Проблем Реєстрації Інформації НАН України, Україна

DOI:

https://doi.org/10.35681/1560-9189.2024.26.1.308600

Ключові слова:

спекли, зменшення спеклів, лазерний проектор, некогерентність, некогерентні системи фокусування, фокусуюча призма, мультиретардерна призма

Анотація

З метою отримання малогабаритної компактної безспеклової пасивної лазерної проекційної системи, що забезпечує однорідне освітлення, проведено теоретико-математичний аналіз механізмів зменшення суб’єк-тивних спеклів, який показав, що досягнення цієї мети вимагає одночас-ного зменшення часової і просторової когерентності лазерного пучка та маніпулювання з його поляризацією. В результаті цього дослідження запропоновано пасивну оптичну схему, що заснована на ефекті некогерентного фокусування лазерного пучка проектора, яка дозволяє утворити безспеклову прямокутну рівномірно освіт-лену пляму на шорсткому екрані. Система передбачає деполяризацію лазерного пучка та наявність оптичного дифракційного елемента (ДОЕ) на основі псевдовипадкової бінарної послідовності, що утворює ефект згладжування. Також передбачено, що ця система може бути утворена з наявних лазерних джерел світла і оптичних елементів. Експериментально верифіковано принцип роботи такої системи.

Посилання

Chellappan K.V., Erden E., and Urey H. Laser-based displays: a review. Appl. Opt. 2010. Vol. 49(25). pp. F79–F98. https://doi.org/10.1364/AO.49.000F79

Xu Z. Large Colour Gamut Display — The New Generation of Display Technique. Physics. 2010. Vol. 39. pp. 227–231.

Gao W., Xu Z., Bi Y., Yuan Y. Present Development and Tendency of Laser Display Technology. Strategic Study of Chinese Academy of Engineering: Beijing, China. 2020. Vol. 22. pp. 227–231. https://doi.org/10.15302/J-SSCAE-2020.03.013

Smith E., Heckaman R.L., Lang K., Penczek J., Bergquist J. Measuring the color capability of modern display systems. J Soc Inf Display. 2020. Vol. 28. pp. 548–556. https://doi.org/10.1002/jsid.918

Janssens P., Malfait K. Future prospects of high-end laser projectors. SPIE Proc. 2009. Vol. 7232. pp. 1–12. https://doi.org/10.1117/12.808106

Bergquist J. Color Capability of RGB Laser Displays, Frontline Technology. Journal of the Society for Information Display. 2024. Vol. 40(1). pp. 25–29. https://doi.org/10.1002/msid.1455

Jianying Zhu, Weinan, Yong Bi, Zuyan Xu, and Minyuan Sun. Brightness Prghuiediction of Large Color Gamut Laser Display Devices. Micromachines. 2023. Vol. 14(10). p. 1850. https://doi.org/10.3390/mi14101850

Moor O. How Long do Laser Projectors Last. URL: https://gagadget.com/en/230475-how-long-do-laser-projectors-last/

Roth S., and Caldwell W. Four primary color projection display. Dig. Tech. Pap. – Soc. Inf. Disp. Int. Symp. 2005. Vol. 36(1). pp. 1818–1821. https://doi.org/10.1889/1.2036372

Han S., Kim Y., Yoon J., Park I., Jun M., and Jung I. P-186: Luminance Enhancement by Four-Primary-Color (RGBY). SID symposium digest of technical papers. Oxford, UK: Blackwell Publishing Ltd. 2010. Vol. 41(1). pp. 1682–1684. https://doi.org/10.1889/1.3500233

Rodríguez-Pardo C., Sharma G., Feng X., Speigle J., and Sezan I. Optimal gamut volume design for three primary and multiprimary display systems. In Color Imaging XVII: Displaying, Processing, Hardcopy, and Applications. Proc. SPIE. 2012. Vol. 8292. pp. 87–93. https://doi.org/10.1117/12.910064

Wang Y., Huang B., Hsieh K., and Sheu C. Comparative evaluation of the imaging performance of multi-primary color LCDs with RGBCW and RGBCY pixel units by simulation. J. Disp. Technol. 2014. Vol. 10(9). pp. 729–736. https://doi.org/10.1109/JDT.2014.2312923

Teijido J.M., Ludley F., Ripoll O., Ueda S.M., Oshima Y., Yoshida T., Toyota K., Yamamoto K., Nagara T., Kato Y., Wajiki A.O. Compact Three Panel LED Projector Engine for Portable Applications. SID 06 DIGEST, 2006. pp. 2011–2014.

A. R.Anwar, M. T.Sajjad, M. A.Johar, C. A.Hernández-Gutiérrez, M.Usman, S. P.Łepkowski, Recent Progress in Micro-LED-Based Display Technologies. Laser & Photonics Reviews2022, 16, 2100427. https://doi.org/10.1002/lpor.202100427

Hu F., Zhang C., Guo Z., Chen Ch., Li Y. Latest Progress of Laser Phosphor Projection Display. SID 2020 DIGEST. 2020. pp. 1234–1239. https://doi.org/10.1002/sdtp.14102

Yoon Hwa Kim, Noolu S.M. Viswanath, Sanjith Unithrattil, Ha Jun Kim, and Won Bin Im. Review—Phosphor Plates for High-Power LED Applications: Challenges and Opportunities toward Perfect Lighting. ECS Journal of Solid State Science and Technology. 2018. Vol. 7(1). pp. R3134–R3147. https://doi.org/10.1149/2.0181801jss

Goodman J.W. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications. Roberts & Company: Englewood, 2007.

Kurashige M., Ishida K., Takanokura T., Ohyagi Y., Watanabe M. The evaluation of speckle contrast with variable speckle generator. Display. 2011. Vol. 19(9). pp. 631–638.

Trisnadi J.I. Hadamard speckle contrast reduction. Opt. Lett. 2004. 29(1). pp. 11–13. https://doi.org/10.1364/OL.29.000011

Matteyses A.L., Shaw K., Axelrod D. Effective Elimination of Laser Interference Fringing in Fluorescence Microscopy by Spinning Azimuthal Incidence Angle. Microscopy Research and Technique. Vol. 69. pp. 642–647. https://doi.org/10.1002/jemt.20334

Chen Ch.-H., Chen Ch.-Ch., Yao P.-H. Microlens Array Homogenizer for Laser Illuminated Projector. Key Engineering Materials. 2007. Vol. 364-366. pp. 143–147. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.364-366.143

Zimmermann M., N. Lindlein R., Voelkel K. Microlens Laser Beam Homogenizer – From Theory to Application. Proc. SPIE. 2007. Vol. 6663. p. 666302. https://doi.org/10.1117/12.731391

Wippermann F., Zeitner U-D., Dannberg P., Brauer A., Sinzinger S. Beam homogenizers based on chirped microlens arrays. Opt. Expr. 2007. Vol. 15(10). pp. 6218–6231. https://doi.org/10.1364/OE.15.006218

Verschaffelt G., Roelandt S., Meuret Y., Van den Broeck W., Kilpi K., Lievens B., Jacobs A., Janssens P., Thienpont H. Speckle disturbance limit in laser-based cinema projection systems. Scientific reports. 2015. Vol. 5(1). p. 14105. https://doi.org/10.1038/srep14105

Roelandt S., Meuret Y., Jacobs A., Willaert K., Janssens P., Thienpont H., Verschaffelt G. Human speckle perception threshold for still images from a laser projection system. Optics Express. 2014. Vol. 22(20). pp. 23965–23979. https://doi.org/10.1364/OE.22.023965

Liu Y., Liu Y., Bu P., Jiao M., Xing J., Weng J. Speckle Suppression Method Based on Rotating Double Diffusers. Acta Optica Sinica. 2023. Vol. 43(4). p. 0412003.

Yamada H., Moriyasu K., Sato H., Hatanaka H. Effect of incidence/observation angles and angular diversity on speckle reduction by wavelength diversity in laser projection systems. Opt. Express. Vol. 25(25). pp. 32132–32141.

Chen Y., Deng L., Yao B., Yang Y., Zhu L., Li T., Xu L., Gu Ch. Effect of rough screen on speckle suppression by wavelength and angle diversity in laser projection systems. Displays. 2024. Vol. 82. p. 102647. https://doi.org/10.1016/j.displa.2024.102647

Wang L., Tschudi T., Halldorsson T., Petursson P.R. Speckle reduction in laser projection systems by diffractive optical elements. Appl. Opt. 1998. Vol. 37. pp. 1770–1775. https://doi.org/10.1364/AO.37.001770

SShin. Ch., Yoo S.S., Lee S.Y., Park Ch.-Y., Park S.-Y., Kwon J.W., Lee S.-G. Removal of hot spot speckle on laser projection screen using both the running screen and the rotating diffuser. Displays. Vol. 27(3). pp. 91–96.

Gao W., Tong Zh., Kartashov V., Akram M.N., Che X. Replacing Two-Dimensional Binary Phase Matrix by a Pair of One-Dimensional Dynamic Phase Matrices for Laser Speckle Reduction. Journal of Display Technology. 2012. Vol. 8(5). pp. 291–295.

Yurlov V., Lapchuk A., Yun S., Song J., Yeo I., Yang H., An S. Speckle suppression in scanning laser displays. Applied Optics. 2006. Vol. 47(2). pp. 179–187.

Yurlov V., Lapchuk A., Yun S., Song J., Yeo I., Yang H., An S. Speckle suppression in scanning laser displays: aberration and defocusing of the projection system. Applied Optics. 2009. 48(1). pp. 80–90.

Lapchuk A., Prygun O., Fu M., Le Z., Xiong Q., Kryuchyn A. Dispersion of speckle suppression efficiency for binary DOE structures: spectral domain and coherent matrix approaches. Optics express. Vol. 25(13). pp. 14575–14597.

Lapchuk A., Kryuchyn A., Petrov V., Yurlov V., Klymenko V. Full speckle suppression in laser projectors using two Barker code-type diffractive optical elements. JOSA A. 2013. Vol. 30(1). pp. 22–31.

Lapchuk A., Kryuchyn A., Petrov V., Klymenko V. Optimal speckle suppression in laser projectors using a single two-dimensional Barker code diffractive optical element. JOSA A. 2013. Vol. 30(2). pp. 227–232.

Lapchuk A., Yurlov V., Kryuchyn A., Pashkevich G.A., Klymenko V., Bogdan O. Impact of speed, direction, and accuracy of diffractive optical element shift on efficiency of speckle suppression. Applied Optics. 2015. Vol. 54(13). pp. 4070–4076.

Lapchuk A., Pashkevich G.A., Prygun O.V., Yurlov V., Borodin Y., Kryuchyn A., Korchovyi A.A., Shylo S. Experiment evaluation of speckle suppression efficiency of 2D quasi-spiral M-sequence-based diffractive optical element. Applied Optics. 2015. Vol. 54(28). pp. E47–E54.

Le Z., Lapchuk A., Gorbov I., Guo Y., Prygun O. Theory and experiments based on tracked moving flexible DOE loops for speckle suppression in compact laser projection. Optics and Lasers in Engineering. 2020. Vol. 124. p. 105845.

Yurlov V., Lapchuk A., Han K., Kim B.H., Yu N.E. Binary code DOE optimization for speckle suppression in a laser display. Applied Optics. 2018. Vol. 57(30). pp. 8851–8860.

An S., Lapchuk A., Yurlov V., Song J., Park H.W., Jang J., Shin W., Shin W., Kargapoltsev S., Yun S.-K. Speckle suppression in laser display using several partially coherent beams. Optics express. 2009. Vol. 17(1). pp. 92–103.

Manni J.G., Goodman J.W. Versatile method for achieving 1 % speckle contrast in large-venue laser projection displays using a stationary multimode optical fiber. Opt. Express. 2012. Vol. 20(10). pp. 11288–11315.

Lapchuk A., Le Z., Guo Y., Dai Y., Liu Z., Xu Q., Lu Z., Kryuchyn A., Gorbov I. Investigation of speckle suppression beyond human eye sensitivity by using a passive multimode fiber and a multimode fiber bundle. Optics Express. 2020. Vol. 28(5). pp. 6820–6834.

Lapchuk A.S., Xu Q., Le Z., Zhou J., Liu Z., Cai D., Prygun O.V., Kryuchyn A.A. Theory of speckle suppression in a laser projector based on a long multimode fiber. Optics and Laser Technology. Vol. 144. p. 107416.

Xu Q., Lapchuk A., Le Z., Cai D., Chen X., Li D., Mao H., Kryuchyn A. Spatial dimension expansion of incoherent optical field in a multimode fiber scheme for speckle suppression. Optics and Lasers in Engineering. 2023. Vol. 168. p. 107662.

Xu M., Gao W., Chen X. Laser Speckle Reduction Using a Motionless Despeckle Element Based on Random Mie Scattering. Journal of display technology. 2014. Vol. 10(2). pp. 151–156.

Redding B., Allen G., Dufresne E.R., Cao H. Low-loss high-speed speckle reduction using a colloidal dispersion. Applied Optics. 2013. Vol. 52(6). pp. 1168–1172.

Pine D.J., Weitz D.A., Chaikin P.M., and Herbolzheimer E. Diffusing-wave spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 1988. Vol. 60. pp. 1134–1137. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.60.1134

Van Rossum M.C.W., Nieuwenhuizen Th.M. Multiple scattering of classical waves: microscopy, mesoscopy, and diffusion. Rev. Mod. Phys. 1999. Vol. 71. pp. 313–371. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.71.313

López-Zamora L., Martínez-Martínez H.N., González-Calderón J.A. Improvement of the colloidal stability of titanium dioxide particles in water through silicon based coupling agent. Materials Chemistry and Physics. 2018. Vol. 217(15). pp. 285–290.

Laser Diode Source. 635 nm, 1800 mW HHL Fiber-Coupled Laser Diode. URL: https://www.laserdiodesource.com/shop/635nm-1800mW-high-power-red-laser-diode

Frankfurt Laser Company. FERT-525-4W-FC105. URL: https://www.gophotonics.com/products/laser-diodes/frankfurt-laser-company/30-12-fert-525-4w-fc105

Laser Diode Source. Green Laser Diode Manufactured by Osram, 520 nm, Single Mode, 80mW. URL: https://www.laserdiodesource.com/shop/green-osram-single-mode-80mw

Laser Diode Source. 465nm Laser Diode, 2000mW, Multi-Mode Fiber-Coupled Coaxial Package. URL: https://www.laserdiodesource.com/shop/465nm-2000mW-MMF-PC-Fiber-Coupled-wvsl

Chen Ch.-H., Chen Ch.-Ch., Yao P.-H. Microlens Array Homogenizer for Laser Illuminated Projector. Key Engineering Materials. 2007. Vol. 364–366. pp. 143–147. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.364-366.143

Xu Q., Lapchuk A., Le Z., Cai D., Zhou J., Liu Z., Gorbov I., Kryuchyn A. Coherent matrix-based approach for evaluation of first-order speckle intensity statistics and its application for speckle suppression. IEEE Photonics Journal. 2022. Vol. 14(3). pp. 1–9.

Lapchuk A.S., Antonov Ye.Ye., Pryhun O.V., Horbov I.V., Kriuchyn A.A. Lazerna systema homohennoho osvitlennia bez spekliv na osnovi multyreliefnoi pryzmatychnoi plastyny z dyfraktsiinym elementom. Zaiavka na patent Ukrainy No a202201431.

Lapchuk A., Gorbov I., Prygun A., Morozov Ye. Speckle and interference fringes-free illumination system with a multi-retarder plate. Optics Express. 2023. Vol. 31(12). pp. 19173–19188.

##submission.downloads##

Опубліковано

2024-05-21

Номер

Розділ

Технічні засоби отримання і обробки даних