Умови ефективного застосування пасивних методів зменшення спеклів і метод декогерентного фокусування в лазерних освітлювальних системах і проекторах
DOI:
https://doi.org/10.35681/1560-9189.2025.27.2.345498Ключові слова:
лазерні спекли, зменшення спеклів, лазерний проектор, декогерентність, декогерентні системи фокусування, пасивні системи, лазерне освітленняАнотація
Досліджено пасивні методи зменшення спеклів у лазерних освітлювальних системах. Розглянуто умови незалежної дії обмеженої часової когерентності лазерного джерела та кутового різноманіття, сформо-ваного оптичною системою в їхньому комбінованому застосуванні. Запропоновано інноваційну конструкцію оптичної системи декогерентного фокусування, яка включає двовимірну матрицю прямокутних мікропризм змінної висоти, інтегровану з парою схрещених циліндричних лінз Френеля. Така система дозволяє формувати прямокутну рівномірно освітлену пляму з високою якістю при числовій апертурі до NA = 0,2. Експериментально підтверджено, що модуляція струму живлення в межах ±15 % за час, який не перевищує часову роздільну здатність людського ока (20–40 мс), перетворює лінійчатий спектр лазерного діода на квазінеперервний, що дозволяє генерувати більшу кількість декорельованих пучків. Результати мають прикладну цінність для створення лазерних проекційних систем зі зниженим рівнем спеклів, а також для медичної візуалізації і точного промислового освітлення.
Посилання
J Landers, "Laser Science and Applications", Willford Press (2016), ISBN: 9781682851944.
M J Weber, "Handbook of Lasers", CRC Press (2019), DOI:10.1201/9781420050172.
K V Chellappan, E Erden, H Urey, "Laser-based displays: a review", Appl. Opt. 49(25), F79–F98 (2010), DOI:10.1364/AO.49.000F79.
L Borruel, S Sujecki, D Rodriguez, J Wykes, M Krakowski, P Moreno, P Sewell, T M Benson, Larkins E C, I Esquivias, "Beam filamentation and maximum optical power in high brightness tapered lasers", Proc. SPIE, vol.4986, pp. 423 – 431 (2003), DOI:10.1117/12.474375
A Malag, G Sobczak, E Dabrowska, M Teodorczyk, A Dabrowski, M Nakielska, "Towards improvement of beam quality of wide-stripe high-power laser diodes", Electronic Materials, vol.43, #3, pp. 7-14, (2015).
M Zimmermann, N Lindlein, R Voelkel, K J Weible, "Microlens laser beam homogenizer – from theory to application", Proc. of SPIE, Vol. 6663, 666302-13 (2007), DOI:10.1117/12.731391
F Wippermann, U-D Zeitner, P Dannberg, A Brauer, S Sinzinger, "Beam homogenizers based on chirped microlens arrays", Opt. Expr., vol. 15, Issue 10, pp. 6218-6231 (2007) DOI:10.1364/OE.15.006218
Lapchuk A.S., Pryhun O.V., Horbov I.V., Morozov Ye.M., Borodin Yu.O. Lazernyi RGB-proektor odnoridnoho bezspeklovoho osvitlennia, shcho zasnovanyi na kompaktnii pasyvnii systemi nekohere-ntnoho fokusuvannia. Reiestratsiia, zberihannia i obrobka danykh. 2024. T. 26, № 1. pp. 67-88. DOI:10.35681/1560-9189.2024.26.1.308600
J W Goodman, “Speckle phenomena in Optics: Theory and Applications”, Roberts & Company (2006), ISBN 0-9747077-9-1.
Zichun Le, A Lapchuk, I Gorbov, Zhiyi Lu , Songlong Yao, I Kosyak, T Kliuieva, Yanyu Guo, O Prygun, “Theory and experiments based on tracked moving flexible DOE loops for speckle suppression in compact laser projection”, Optics and Lasers in Engineering Vol. 124, 105845 (2020), DOI:10.1016/j.optlaseng.2019.105845
J I Trisnadi, "Speckle Contrast Reduction in Laser Projection Displays”, Proceedings of SPIE, vol. 4657, pp. 131-137, (2002) DOI:10.1117/12.463781
Julio Chaves, "Introduction to Nonimaging Optics", (2nd ed) CRC Press: Boca Raton (2016), ISBN 978-1482206739, eBook ISBN 9781315215501, DOI:10.1201/b18785.
G Verschaffelt, S Roelandt, Y Meuret, W Van den Broeck, K Kilpi, B Lievens, A Jacobs, P Janssens, H Thienpont, "Speckle disturbance limit in laser-based cinema projection systems", Scientific Reports, vol. 5, Article number: 14105, (2015), DOI:10.1038/srep14105
S Roelandt, Y Meuret, A Jacobs, K Willaert, P Janssens, H Thienpont, G Verschaffelt, "Human speckle perception threshold for still images from a laser projection system", Opt. Express Vol. 22, Issue 20, pp. 23965-23979 (2014), DOI:10.1364/OE.22.023965
W Gao, Zh Tong, V Kartashov, M N Akram, X Chen “Replacing two-dimensional binary phase matrix by a pair of one-dimensional dynamic phase matrices for laser speckle reduction”, Journal of Display Technology Vol. 8, Issue 5, pp. 291-295 (2012), DOI:10.1109/JDT.2011.2181333
A Lapchuk, A Kryuchyn, V Petrov, O V Shyhovets, G A Pashkevich, O V. Bogdan, A Kononov, A Klymenko, “Optical schemes for speckle suppression by Barker code diffractive optical elements”, JOSA A 30 (9), pp. 1760-1767 (2019), DOI:10.1364/JOSAA.30.001760
X-W Lin, W Hu, X-K Hu, X Liang, Y Chen, H-Q Cui, G Zhu, J-N Li, V Chigrinov, Y-Q Lu, "Fast response dual-frequency liquid crystal switch with photo-patterned alignments", Optics Letters Vol. 37, Issue 17, pp. 3627-3629 (2012), DOI:10.1364/OL.37.003627
V Yurlov, A Lapchuk, S Yun, J Song, H Yang, “Speckle suppression in scanning laser display”, Applied Optics Vol. 47, Issue 2, pp. 179-187 (2008), DOI:10.1364/AO.47.000179
A Lapchuk, V Yurlov, A Kryuchyn, G A Pashkevich, V Klymenko, O Bogdan, "Impact of speed, direction, and accuracy of diffractive optical element shift on efficiency of speckle suppression", Applied Optics Vol. 54, Issue 13, pp. 4070-4076 (2015), DOI:10.1364/AO.54.004070
A Lapchuk, A Kryuchyn, V Petrov, V Klymenko "Optimal speckle suppression in laser projectors using a single two-dimensional Barker code diffractive optical element", JOSA A Vol. 30, Issue 2, pp. 227-232 (2013), DOI:10.1364/JOSAA.30.000227
A Lapchuk, O Prygun, M Fu, Z Le, Q Xiong, A Kryuchyn, "Dispersion of speckle suppression efficiency for binary DOE structures: spectral domain and coherent matrix approaches", Optics Express Vol. 25, Issue 13, pp. 14575-14597 (2017), DOI:10.1364/OE.25.014575
Z Le, A Lapchuk, I Gorbov, Z Lu, S Yao, I Kosyak, T Kliuieva, Y Guo, O. Prygun, "Theory and experiments based on tracked moving flexible DOE loops for speckle suppression in compact laser projection", Optics and Lasers in Engineering, Vol. 124, 105845, (2020), DOI:10.1016/j.optlaseng.2019.105845
V Yurlov, A Lapchuk, K Han, S-J Son, B H Kim, N E Yu, "Binary code DOE optimization for speckle suppression in a laser display", Applied Optics, Vol. 57, Issue 30, pp. 8851-8860 (2018), DOI:10.1364/AO.57.008851
J G Manni, J W. Goodman, "Versatile method for achieving 1% speckle contrast in large-venue laser projection displays using a stationary multimode optical fiber", Optics Express Vol. 20, Issue 10, pp. 11288-11315 (2012), DOI:10.1364/OE.20.011288
A Lapchuk, Z Le, Y Guo, Y Dai, Z Liu, Q Xu, Z Lu, A Kryuchyn, I Gorbov, "Investigation of speckle suppression beyond human eye sensitivity by using a passive multimode fiber and a multimode fiber bundle", Optics Express Vol. 28, Issue 5, pp. 6820-6834 (2020), DOI:10.1364/OE.389367
Q-L Deng, B-S Lin, P-J Wu, K-Y Chiu, P-L Fan, C-Y Chen, “A hybrid temporal and spatial speckle-suppression method for laser displays”, Optics Express Vol. 21, Issue 25, pp. 31062-31071 (2013), DOI:10.1364/OE.21.031062
Z Tong, C Sun, Y Ma, M Wang, S Jia, X Chen, "Laser Spatial Coherence Suppression With Refractive Optical Elements Toward the Improvement of Speckle Reduction by Light Pipes", IEEE Access, Vol. 7, pp. 172190-172198 (2019), Electronic ISSN: 2169-3536, DOI:10.1109/ACCESS.2019.2956517
Yamada H, Moriyasu K, Sato H, Hatanaka H 2017 "Effect of incidence/observation angles and angular diversity on speckle reduction by wavelength diversity in laser projection systems", Optics Express Vol. 25, Issue 25, pp. 32132-32141 (2017), DOI: 10.1364/OE.25.032132
Lapchuk A, Gorbov A, Prygun A, Morozov Y, "Speckle- and interference fringes-free illumination system with a multi-retarder plate", Optics Express Vol. 31, Issue 12, pp. 19173-19188 (2023), DOI: 10.1364/OE.490040
Thorlabs Inc., product part number: L520P50 (buv dostupny 20 06. 2025 za adresoju: www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L520P50)
M.S.Romadhon, A.Aljalal, W.Al-Basheer, K.Gasmi, "Longitudinal modes evolution of a GaN-based blue laser diode", Optics & Laser Technology, 70 pp. 59–62 (2015), DOI:10.1016/j.optlastec.2015.01.012.
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", April 2022, IEEE Photonics Journal, Volume: 14, Issue: 3, June 2022, pp. 1–9, DOI: 10.1109/JPHOT.2022.3167452
