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
Landers, J. Laser Science and Applications. Willford Press, 2016. ISBN: 9781682851944
Weber, M. J. Handbook of Lasers. CRC Press, 2019. https://doi.org/10.1201/9781420050172
Chellappan, K. V.; Erden, E.; Urey, H. Laser-based displays: a review. Applied Optics. 2010. Vol. 49. No. 25. pp. F79–F98. https://doi.org/10.1364/AO.49.000F79
Borruel, L.; Sujecki, S.; Rodriguez, D.; Wykes, J.; Krakowski, M.; Moreno, P.; Sewell, P.; Benson, T. M.; Larkins, E. C.; Esquivias, I. Beam filamentation and maximum optical power in high brightness tapered lasers. Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 4986. pp. 423–431. https://doi.org/10.1117/12.474375
Malag, A.; Sobczak, G.; Dabrowska, E.; Teodorczyk, M.; Dabrowski, A.; Nakielska, M. Towards improvement of beam quality of wide-stripe high-power laser diodes. Electronic Materials. 2015. Vol. 43. No. 3. pp. 7–14.
Zimmermann, M.; Lindlein, N.; Voelkel, R.; Weible, K. J. Microlens laser beam homogenizer – from theory to application. Proceedings of SPIE. 2007. Vol. 6663. 666302-13. 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. Optics Express. 2007. Vol. 15. Issue 10. pp. 6218–6231. https://doi.org/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 nekoherentnoho fokusuvannia. Reiestratsiia, zberihannia i obrobka danykh. 2024. T. 26. No. 1. pp. 67–88. https://doi.org/10.35681/1560-9189.2024.26.1.308600
Goodman, J. W. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications. Roberts & Company, 2006.
Le, Zichun; Lapchuk, A.; Gorbov, I.; Lu, Zhiyi; Yao, Songlong; Kosyak, I.; Kliuieva, T.; Guo, Yanyu; 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. 105845. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2019.105845
Trisnadi, J. I. Speckle Contrast Reduction in Laser Projection Displays. Proceedings of SPIE. 2002. Vol. 4657. pp. 131–137. https://doi.org/10.1117/12.463781
Chaves, Julio. Introduction to Nonimaging Optics. 2nd ed. CRC Press, 2016. ISBN: 978-1482206739. eBook ISBN: 9781315215501. https://doi.org/10.1201/b18785
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. Article number 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. Issue 20. pp. 23965–23979. https://doi.org/10.1364/OE.22.023965
Gao, W.; Tong, Zh.; Kartashov, V.; Akram, M. N.; Chen, 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. Issue 5. pp. 291–295. https://doi.org/10.1109/JDT.2011.2181333
Lapchuk, A.; Kryuchyn, A.; Petrov, V.; Shyhovets, O. V.; Pashkevich, G. A.; Bogdan, O. V.; Kononov, A.; Klymenko, A. Optical schemes for speckle suppression by Barker code diffractive optical elements. JOSA A. 2019. Vol. 30. No. 9. pp. 1760–1767. https://doi.org/10.1364/JOSAA.30.001760
Lin, X.-W.; Hu, W.; Hu, X.-K.; Liang, X.; Chen, Y.; Cui, H.-Q.; Zhu, G.; Li, J.-N.; Chigrinov, V.; Lu, Y.-Q. Fast response dual-frequency liquid crystal switch with photo-patterned alignments. Optics Letters. 2012. Vol. 37. Issue 17. pp. 3627–3629. https://doi.org/10.1364/OL.37.003627
Yurlov, V.; Lapchuk, A.; Yun, S.; Song, J.; Yang, H. Speckle suppression in scanning laser display. Applied Optics. 2008. Vol. 47. Issue 2. pp. 179–187. https://doi.org/10.1364/AO.47.000179
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. Issue 13. pp. 4070–4076. https://doi.org/10.1364/AO.54.004070
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. Issue 2. pp. 227–232. https://doi.org/10.1364/JOSAA.30.000227
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. 2017. Vol. 25. Issue 13. pp. 14575–14597. https://doi.org/10.1364/OE.25.014575
Le, Z.; Lapchuk, A.; Gorbov, I.; Lu, Z.; Yao, S.; Kosyak, I.; Kliuieva, T.; 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. 105845. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2019.105845
Yurlov, V.; Lapchuk, A.; Han, K.; Son, S.-J.; Kim, B. H.; Yu, N. E. Binary code DOE optimization for speckle suppression in a laser display. Applied Optics. 2018. Vol. 57. Issue 30. pp. 8851–8860. https://doi.org/10.1364/AO.57.008851
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. Optics Express. 2012. Vol. 20. Issue 10. pp. 11288–11315. https://doi.org/10.1364/OE.20.011288
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. Issue 5. pp. 6820–6834. https://doi.org/10.1364/OE.389367
Deng, Q.-L.; Lin, B.-S.; Wu, P.-J.; Chiu, K.-Y.; Fan, P.-L.; Chen, C.-Y. A hybrid temporal and spatial speckle-suppression method for laser displays. Optics Express. 2013. Vol. 21. Issue 25. pp. 31062–31071. https://doi.org/10.1364/OE.21.031062
Tong, Z.; Sun, C.; Ma, Y.; Wang, M.; Jia, S.; Chen, X. Laser Spatial Coherence Suppression With Refractive Optical Elements Toward the Improvement of Speckle Reduction by Light Pipes. IEEE Access. 2019. Vol. 7. pp. 172190–172198. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2956517
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. Optics Express. 2017. Vol. 25. Issue 25. pp. 32132–32141. https://doi.org/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. 2023. Vol. 31. Issue 12. pp. 19173–19188. https://doi.org/10.1364/OE.490040
Thorlabs Inc. Product part number: L520P50. URL: https:www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L520P50
Romadhon, M. S.; Aljalal, A.; Al-Basheer, W.; Gasmi, K. Longitudinal modes evolution of a GaN-based blue laser diode. Optics & Laser Technology. 2015. Vol. 70. pp. 59–62. https://doi.org/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. IEEE Photonics Journal. 2022. Vol. 14. Issue 3. pp. 1–9. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3167452
