УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ПУЧКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ РАСШИРЕНИЯ ПУЧКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ КОГЕРЕНТНОЙ ПОДСВЕТКИ
DEVICE FOR EXPANDING AN OPTICAL RADIATION BEAM AND METHOD FOR EXPANDING AN OPTICAL RADIATION BEAM FOR COHERENT ILLUMINATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области оптических систем, и более конкретно к расширителям пучка оптического излучения, используемым для создания подсветки в средствах формирования и/или отображения трехмерного изображения (например, трехмерных (3D) дисплеях, голографических дисплеях и т.п.) в пользовательских устройствах, предпочтительно в портативных устройствах, таких как телефоны, планшетные компьютеры и т.п.
Уровень техники
В оптических системах, и в частности в голографических системах формирования изображений и отображения, применяются расширители пучка оптического излучения, которые представляют собой в общем случае оптические устройства, принимающие коллимированный пучок оптического излучения и расширяющие его размеры.
Среди требований, предъявляемых к разрабатываемым в настоящее время голографическим средствам отображения, а также входящим в их состав системам подсветки и расширения пучка, основными являются минимизация размера устройства, повышение эффективности при придании однородности и создании определенной формы поперечного сечения (апертуры) пучка оптического излучения, а также подавление спеклов.
Так называемые «спеклы» (спекл-структуры, от англ. speckle - крапинка, пятнышко) представляют собой случайные интерференционные картины, которые образуются при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих случайные сдвиги фаз и/или случайный набор интенсивностей.
Требования, предъявляемые к голографическим средствам отображения, а также входящим в их состав системам подсветки, расширения и коллимации пучка оптического излучения, состоят в формировании пучка с заданными формой и размерами поперечного сечения (апертуры), обеспечении однородности и при достаточно компактном размере устройства, в обеспечении возможности применения с различными источниками оптического излучения, но без необходимости регулировки устройства под конкретный источник оптического излучения, и в эффективности подавления спеклов лазерного пучка и сохранение когерентности выходного излучения.
Оптическим системам с расширителями пучка оптического излучения в общем присущи следующие проблемы:
1) Однородность пучка оптического излучения
Расширенный пучок оптического излучения для обычного высокоэффективного расширителя пучка (BE) обеспечивает ограниченные возможности в плане сохранения когерентности лазерного пучка и обеспечения высокой однородности;
2) Формирование поперечного сечения (апертуры) пучка
При том что на входе в BE пучок оптического излучения обладает круговой или эллиптической симметрией, невозможно обеспечение однородности пучка оптического излучения и формирования поперечного сечения пучка (придания ему необходимой формы) с сохранением высокой эффективности системы, т. е. без значительных потерь в энергии;
3) Устранение спеклов
Использование когерентного лазерного излучения приводит к возникновению спеклов и спекловых картин, которые формируются вследствие случайной интерференции.
В источнике US 20040130790 A1 (Tasso Sales, 08.07.2004) раскрыт случайный массив микролинз (микролинзовый растр) для придания формы и однородности пучку оптического излучения. Согласно данному источнику, массивы микролинз определяются микролинзовыми элементами, которые отличаются друг от друга, в соответствии с распределением вероятностей. Это позволяет формировать пучок оптического излучения, имеющий заданный профиль интенсивностей, в пределах желаемой картины рассеивания в дальнем поле. Различия между микролинзами включают в себя случайные изменения профиля поверхности микролинз, профиля границы, соответствующего границе микролинз, и пространственного распределения, соответствующего взаимному расположению микролинз в пределах массива. Профиль поверхности микролинз может использоваться для обеспечения однородности профиля интенсивности пучка оптического излучения. Изменения профиля границы в пределах нерегулярного распределения могут быть использованы для применения заданного профиля интенсивности пучка оптического излучения в пределах желаемой картины рассеивания. К недостаткам данного известного решения можно отнести неколлимированное выходное излучение, потерю когерентности пучка, возможность придания пучку оптического излучения формы поперечного сечения и однородности только на одной плоскости. Кроме того, данное известное решение сопряжено с выраженным формированием спеклов при использовании лазерного излучения, а также реализуется в устройстве, имеющем большие общие размеры.
В источнике US 9464779 B2 (DIGILENS, INC., 11.10.2016) раскрыто устройство, конденсирующее свет из множества источников с использованием брэгговских решеток для последовательного цветного освещения, которое содержит последовательность из следующих элементов: первый и второй источники света, конденсирующую линзу и узел брэгговских решеток, содержащий по меньшей мере одну брэгговскую решетку. Конденсирующая линза направляет свет от первого и второго источников света в узел брэгговских решеток под первым и вторым углами падения, соответственно. Узел брэгговских решеток преломляет свет из первого и второго источников света в общем направлении. Предпочтительно брэгговские решетки представляют собой электрически переключаемые брэгговские решетки, а источники света представляют собой светодиоды или лазеры. Известное решение формирует систему освещения с множеством источников света и электрически переключаемыми брэгговскими решетками для сбора и обеспечения однородности оптического излучения. К недостаткам данного известного решения следует отнести обеспечение однородности оптического излучения с разделением по времени, наличие эффекта вуали вследствие применения переключаемых брэгговских решеток, необходимость точной юстировки компонентов системы, неинтегрированный характер решения, и большие общие размеры аппаратных компонентов, реализующих данное решение.
Вышеуказанное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемого изобретения.
Раскрытие изобретения
Данный раздел, раскрывающий различные аспекты и варианты выполнения заявляемого изобретения, предназначен для представления краткой характеристики заявляемых объектов изобретения и вариантов его выполнения. Подробная характеристика технических средств и методов, реализующих сочетания признаков заявляемых изобретений, приведена ниже. Ни данное раскрытие изобретения, ни нижеприведенное подробное описание и сопровождающие чертежи не следует рассматривать как определяющие объем заявляемого изобретения. Объем правовой охраны заявляемого изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения.
Предлагаемое изобретение было создано с учетом недостатков вышеприведенных известных решений и направлено на устранение или по меньшей мере уменьшение недостатков уровня техники.
Техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в обеспечении возможности придания однородности пучку когерентного оптического излучения, а также придания необходимой формы его поперечному сечению, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности выводимого пучка оптического излучения.
Задача изобретения состоит в создании устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения и способа расширения пучка когерентного оптического излучения, которые решали бы по меньшей мере вышеуказанную техническую проблему. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эффективности оптической системы с сохранением когерентности пучка оптического излучения на выходе и с уменьшением или устранением спеклов.
В контексте предлагаемого изобретения под расширением пучка оптического излучения понимается непосредственное увеличение размеров поперечного сечения пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно изобретению по отношению к размерам поперечного сечения пучка, передаваемого от источника излучения на вход устройства для расширения оптического пучка согласно изобретению, с одновременным выравниванием распределения энергии в выходном пучке в пределах всей апертуры.
В первом аспекте настоящего изобретения данная задача решается устройством для расширения пучка когерентного оптического излучения, которое содержит первый оптический элемент и второй оптический элемент, при этом первый оптический элемент содержит рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой, выполненный с возможностью рассеивания падающего оптического излучения, при этом первый оптический элемент выполнен с возможностью направления оптического излучения, рассеянного рассеивателем оптического излучения с заданной угловой апертурой, в плоскость второго оптического элемента с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения; и при этом второй оптический элемент выполнен с возможностью коллимации пучка оптического излучения и его вывода из устройства с сохранением когерентности пучка оптического излучения. В варианте выполнения изобретения, по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE). В другом варианте выполнения изобретения, по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE). В одном или более вариантах выполнения изобретения первый оптический элемент и второй оптический элемент соединены волноводом, выполненным с возможностью направления пучка оптического излучения с заданной формой сечения и однородностью от первого оптического элемента ко второму оптическому элементу. Устройство согласно изобретению может дополнительно содержать по меньшей мере один источник падающего оптического излучения. По меньшей мере один источник падающего оптического излучения может представлять собой лазерный диод.
Во втором аспекте предлагаемого изобретения вышеуказанная задача решается способом расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащим этапы, на которых: рассеивают падающее оптическое излучение с помощью рассеивателя, вводят в волновод с помощью первого оптического элемента; направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения; коллимируют оптическое излучение во втором оптическом элементе и выводят оптическое излучение из второго оптического элемента с сохранением когерентности, однородности пучка оптического излучения и уменьшением контраста спеклов.
Специалистам в данной области техники будет очевидно, что помимо вышеперечисленных объектов изобретения изобретательский замысел, лежащий в основе настоящего изобретения, может быть реализован в форме других объектов изобретения, таких как одна или более оптических систем, устройств, способов и т.п.
Краткое описание чертежей
Чертежи приведены в настоящем документе для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Чертежи являются схематичными и выполнены не в масштабе. Чертежи служат исключительно в качестве иллюстрации и не предназначены для определения объема настоящего изобретения. Аналогичные или одинаковые элементы обозначены аналогичными или одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения в варианте выполнения изобретения.
На Фиг. 2 показан вид «А» по Фиг. 1.
На Фиг. 3 показана общая схема оптической системы устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения в варианте выполнения изобретения.
На Фиг. 4 показана блок-схема способа расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению.
На Фиг. 5 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором в качестве рассеивателя (диффузора) оптического излучения с заданной угловой апертурой используется диффузор с угловой апертурой 5°.
На Фиг. 6 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором в качестве рассеивателя (диффузора) оптического излучения с заданной угловой апертурой используется микролинзовый растр размером 20х20 линз с фокусом 500 мкм и периодом 500 мкм.
На Фиг. 7 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой интегрирован на стадии записи в первый оптический элемент и представляет собой матовый диффузор с угловой апертурой 5°.
Осуществление изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для расширения и коллимации пучка когерентного оптического излучения и способа расширения и коллимации пучка когерентного оптического излучения с обеспечением возможности придания пучку когерентного оптического излучения однородности и необходимой формы сечения, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности пучка оптического излучения.
В общем случае, предлагаемое устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению содержит два оптических элемента 1, 2, которые могут быть реализованы в виде голографических оптических элементов (HOE) или дифракционных оптических элементов (DOE), соответственно. Возможны варианты выполнения, в которых первый оптический элемент 1 представляет собой голографический оптический элемент (HOE), а второй оптический элемент 2 - дифракционный оптический элемент (DOE), и наоборот. Далее в настоящем документе первый оптический элемент 1 будет обозначаться HOE/DOE1, а второй оптический элемент 2 - HOE/DOE2.
Следует отметить, что как дифракционный оптический элемент (DOE), так и голографический оптический элемент (HOE) основаны по существу на одном и том же физическом принципе, то есть оба вида этих оптических элементов по существу можно отнести к дифракционным оптическим элементам. Различие между ними состоит в том, что дифракционными оптическими элементами называют оптические элементы, в которых дифракция происходит на поверхностном рельефе, а голографическими оптическими элементами называют Брэгговские объемные решетки, в которых дифракция происходит в материале за счет локального изменения его оптических свойств.
При этом назначение первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1) заключается в рассеивании падающего (входного) оптического излучения 5 и его направлении на плоскость второго оптического элемента 2 с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с уменьшением или устранением спеклов. Второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2) использует оптическое излучение, поперечное сечение которого сформировано первым оптическим элементом 1 (HOE/DOE1), коллимируя его, при сохранении когерентности оптического излучения на выходе из второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) и из устройства в целом.
Для рассеивания падающего (входного) оптического излучения 5 в устройстве согласно изобретению предусмотрен рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения с заданной (требуемой) угловой апертурой. В контексте настоящего изобретения понятие «заданная» или «требуемая» угловая апертура - означает, что угловая апертура рассеивателя 4 оптического излучения специально заранее рассчитана или подобрана под конкретные параметры оптической системы и согласована с остальными элементами. То, какими средствами задается угловая апертура, зависит от типа конструкции рассеивателя 4 (диффузора). Так, если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой матовый рассеиватель, то угловая апертура «задается» шероховатостью поверхности, размером неровностей. Если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой массив микролинз (микролинзовый растр), то угловая апертура «задается» фокусным расстоянием линз, их размерами и периодом. Если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой голографический/дифракционный оптический элемент или интегрирован в такой оптический элемент, угловая апертура «задается» записанной дифракционной структурой такого оптического элемента.
В различных вариантах выполнения рассеиватель 4 оптического излучения может быть отдельным элементом устройства, либо он может быть реализован в первом оптическом элементе 1. Так, например, в варианте выполнения, в котором первый оптический элемент 1 реализован в виде оптической решетки, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть «записан» в структуре упомянутой оптической решетки. В частности, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть интегрирован в первый оптический элемент 1 на стадии «записи», что позволяет называть рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения с заданной угловой апертурой в контексте некоторых вариантов выполнения настоящего изобретения «виртуальным» рассеивателем (диффузором).
Вышеупомянутый процесс «записи» рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в структуре оптической решетки, реализующей первый оптический элемент 1, может осуществляться посредством двух типов записи - аналогового и цифрового.
Аналоговая запись по существу представляет собой регистрацию на фотоматериале результата интерференции (интерференционной картины) между двумя пучками оптического излучения - опорным и предметным пучками. При освещении полученной структуры одним из пучков оптического излучения, участвовавших в записи, или пучком оптического излучения, сопряженным с ним, в результате дифракции будет восстановлен пучок оптического излучения, полностью идентичный по всем параметрам пучку оптического излучения, участвовавшему в записи. Иными словами, обычная дифракционная решетка по существу представляет собой интерференционную картину между двумя коллимированными пучками. Если в один из пучков при записи поместить рассеиватель 4 оптического излучения, то при освещении полученного HOE/DOE вторым участвовавшим в записи коллимированным пучком на выходе будет получено распределение энергии, соответствующее распределению энергии после прохождения излучения через рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения.
Цифровая запись подразумевает не формирование требуемого пучка, а расчет/моделирование требуемой структуры DOE/HOE и последующего ее получения литографическим или механическим способом.
В вариантах выполнения, в которых рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в качестве отдельного элемента, он может быть выполнен в виде элемента с определенной шероховатостью поверхности, микролинзового растра, либо он может по существу сам представлять собой DOE/HOE. При этом рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован как в виде отдельного элемента, помещенного перед первым оптическим элементом 1 через некоторый промежуток между ними, так может быть и выполнен в виде элемента, склеенного с волноводом 3 или первым оптическим элементом 1. Кроме того, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть выполнен на одной из поверхностей волновода 3 механическими средствами, химическими средствами (путем травления), либо литьем.
В различных вариантах выполнения изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован в виде матового рассеивателя. Пучок падающего оптического излучения 5 с гауссовым распределением преобразуется рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в комбинацию вторичных источников излучения.
В варианте выполнения, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован в виде так называемой рассчитанной «фазовой маски», изготавливаемой методом травления, резки, литья или литографии. «Фазовая маска» придает форму оптическому излучению для рассеивания оптического излучения требуемым образом. В такой конфигурации может быть обеспечена более высокая эффективность вследствие лучшего покрытия площади второго оптического элемента 2 рассеянным оптическим излучением из первого оптического элемента 1. Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в виде «фазовой маски» может быть выполнен из любых оптически прозрачных материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, пластик, стекло, смолы, полимеры, фотополимеры.
В другом варианте выполнения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован массивом микролинз (микролинзовым растром) (MLA) с периодической или случайной структурой. Данный вариант выполнения может обладать несколько меньшей эффективностью, чем рассеиватель 4 оптического излучения на основе «фазовой маски» вследствие большого углового диапазона, обеспечиваемого MLA, в связи с чем форма сечения пучка в плоскости второго оптического элемента 2 может обладать большими размерами, чем размер самого оптического элемента.
Следует отметить, что выше приведены лишь некоторые иллюстративные примеры реализации рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, используемого в устройстве согласно изобретению. Выбор конкретного варианта реализации рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой определяется конкретными особенностями реализации устройства согласно изобретению и/или конкретными требованиями, предъявляемыми к устройству, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие возможные технические средства и методы, реализующие рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в пределах объема настоящего изобретения.
Качество смешивания лучей пучка оптического излучения и однородность формируемого пучка обеспечивается плотностью и диаграммой направленности излучения от вторичных источников и длиной оптического пути в волноводе 3. Эффективность всей оптической системы предлагаемого устройства также зависит от диаграммы направленности излучения для вторичных источников и длины оптического пути в волноводе 3. Рассеиватель 4 оптического излучения позволяет уменьшить помехи в виде спеклов за счет фазовой модуляции пространственной неоднородности.
Каждый из множества вторичных источников излучения, формируемых путем размножения пучка падающего когерентного оптического излучения 5 посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, формирует свою постоянную во времени спекловую картину, отличную от спекловых картин других пучков оптического излучения. Наложение спекловых картин от множества пучков оптического излучения, полученных посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, позволяет значительно снизить контрастность спекловой картины, формирующейся на втором оптическом элементе 2. Суммарная контрастность спекловой картины на втором оптическом элементе 2 уменьшается в  раз, где n - количество пучков оптического излучения, полученных посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой. Реализация оптической схемы с рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в устройстве для расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению позволяет уменьшить формирование спеклов в выходном оптическом излучении 6 из второго оптического элемента 2 на величину до 80%.
Как указано выше, по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть интегрирован в структуру первого оптического элемента 1. Это может быть реализовано при изготовлении первого оптического элемента 1 и позволяет уменьшить количество компонентов устройства согласно изобретению, при этом обеспечив эффективность, аналогичную предыдущему варианту выполнения, описанному выше, за счет лучшего покрытия площади второго оптического элемента 2 рассеянным светом, передаваемым из первого оптического элемента 1.
В общем случае, устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению включает в себя рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, первый оптический элемент 1, второй оптический элемент 2 и волновод 3, соединяющий первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2. Поскольку устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению должно обеспечивать возможность применения различных источников оптического излучения без необходимости регулировки устройства под конкретный источник оптического излучения, это подразумевает использование источника падающего оптического излучения, который в общем случае является внешним по отношению к заявляемому устройству.
Однако по меньшей мере в одном конкретном варианте выполнения изобретения устройство для расширения пучка оптического излучения может включать в себя по меньшей мере один источник падающего оптического излучения, что может быть обусловлено концепцией как самого устройства для расширения пучка оптического излучения, так и всей системы, частью которой является устройство для расширения пучка оптического излучения в конкретном варианте применения. Примером реализации изобретения с внешним источником оптического излучения может служить его использование в качестве самостоятельного устройства для лабораторных стендов, в метрологии, в однотипных устройствах для конечного пользователя различных производителей (мониторы, очки дополненной или виртуальной реальности) и т.п. Примером реализации изобретения со встроенным источником оптического излучения может служить его использование в пользовательских устройствах одного производителя при унификации элементной базы.
В различных вариантах выполнения настоящего изобретения, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть выполнен из любого материала, который является оптически прозрачным в спектральном диапазоне оптического излучения, генерируемого используемым в устройстве источником излучения, такого как, в качестве неограничивающего примера, пластик, стекло, смолы, полимеры, фотополимеры, в виде одного или более из следующего:
- отдельного элемента;
- элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3 или выполненного в виде части поверхности волновода 3;
- элемента, объединенного с первым оптическим элементом 1 (входной оптической решеткой, HOE/DOE1);
- элемента с заданным рельефом поверхности;
- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).
Первый оптический элемент 1 (входная оптическая решетка, HOE/DOE1) в различных вариантах выполнения изобретения может быть выполнен из любого материала, который является оптически прозрачным в спектральном диапазоне оптического излучения, генерируемого используемым в устройстве источником излучения, такого как, в качестве неограничивающего примера, пластик, стекло, смолы, полимеры, фотополимеры, в виде одного или более из следующего:
- отдельного элемента;
- элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3 или выполненного в виде части поверхности волновода 3;
- элемента, объединенного с рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой;
- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).
Волновод 3 может представлять собой подложку с тонкопленочным покрытием или без него, либо с многослойным пленочным покрытием на одной или обеих его поверхностях. Подложка может быть выполнена из любого оптически прозрачного материала, применяемого в данной области техники. Тонкопленочные покрытия могут быть однослойными и многослойными, отражательными (зеркальными), и в частности они могут представлять собой металлизированные или оксидные пленки. Также они могут быть реализованы в качестве просветляющих, спектрально-селективных, частично-пропускающих покрытий. Тонкопленочные покрытия наносятся напылением или химическим осаждением.
Второй оптический элемент 2 (выходная оптическая решетка, HOE/DOE2) может быть выполнен из любого материала, который является оптически прозрачным в спектральном диапазоне оптического излучения, генерируемого используемым в устройстве источником излучения, такого как, в качестве неограничивающего примера, пластик, стекло, смолы, полимеры, фотополимеры, в виде одного или более из следующего:
- отдельного элемента;
- элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3 или выполненного в виде части поверхности волновода 3;
- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).
Как видно на Фиг. 1 и 3, в вариантах выполнения устройства согласно изобретению, в которых рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в виде отдельного элемента или элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первый оптический элемент 1 могут быть размещены по разные стороны от волновода 3, по существу друг над другом. Возможны и другие варианты взаимного расположения рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первого оптического элемента 1 (входной оптической решетки), которые будут очевидны специалистам в данной области техники.
В качестве источника оптического излучения, как внешнего по отношению к устройству для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению, так и встроенного в устройство для расширения пучка оптического излучения в вариантах выполнения настоящего изобретения может использоваться лазерный диод. Лазерный диод формирует когерентное оптическое излучение с определенным распределением интенсивности в плоскости рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой. Однако следует отметить, что согласно изобретению, варианты источника оптического излучения не ограничены лазерным диодом, и в качестве источника оптического излучения может использоваться, например, также любой источник с узким спектральным диапазоном, не являющийся лазерным источником, например, такой как светоизлучающий диод (LED) или органический светодиод (OLED). Вышеприведенные примеры не ограничивают перечень возможных источников оптического излучения, которые могут быть использованы с настоящим изобретением или в частных вариантах выполнения - в устройстве для расширения пучка оптического излучения по настоящему изобретению. Так, например, в некоторых вариантах выполнения источником оптического излучения может быть и газоразрядная лампа, поскольку она генерирует несколько узких спектральных линий оптического излучения.
Согласно изобретению, в варианте выполнения на рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой падает пучок когерентного (в качестве неограничивающего примера, лазерного) оптического излучения с гауссовым распределением интенсивности оптического излучения. Из этого падающего оптического излучения 5 рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой формирует множество расположенных с высокой плотностью вторичных «источников» оптического излучения и необходимыми диаграммами направленности для сохранения энергии оптического излучения.
Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой рассеивает падающее оптическое излучение 5 от источника оптического излучения и подсвечивает первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1). Первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1) играет роль элемента связи (или вводного элемента) для введения падающего оптического излучения 5 в волновод 3 и роль линзы для фокусировки коллимированного оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой рассеивает входящее оптическое излучение, а первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1) формирует множество точек оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен таким образом, что в сочетании с первым оптическим элементом 1 (HOE/DOE1) он формирует пятно оптического излучения определенной формы, однородное по интенсивности и со значительно уменьшенным контрастом спеклов, в плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2).
Проходя по волноводу 3, оптическое излучение попадает на второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2), который коллимирует оптическое излучение из каждой точки, сформированной рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, и объединяет все упомянутые точки в одно пятно, имеющее требуемую форму. При этом на выходе второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) оптическое излучение обладает высокой степенью коллимации, однородностью и имеет необходимую форму сечения при низкой контрастности спеклов. Предпочтительно, пучок оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) имеет форму и размеры сечения, по существу соответствующие форме и размерам второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2), то есть по существу полностью покрывает плоскость второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2), не выходя за ее пределы, что обеспечивает высокую эффективность подсветки коллимированным выходным оптическим излучением 6.
Первый оптический элемент 1, указанный в настоящем документе как HOE/DOE1 и который также можно охарактеризовать как вводной оптический элемент, вводит оптическое излучение после рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в волновод 3. Волновод 3 обеспечивает смешивание оптического излучения для обеспечения высокой степени однородности оптического излучения. По волноводу 3 оптическое излучение передается от первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1) ко второму оптическому элементу 2 (HOE/DOE2). Второй оптический элемент 2, также обозначаемый как HOE/DOE2 и который также можно охарактеризовать как выводной оптический элемент, выполнен с возможностью коллимации оптического излучения, приходящего по волноводу 3, и придания необходимой формы сечения коллимированному пучку оптического излучения.
В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой позволяет повысить степень однородности оптического излучения на более 80% (за счет преобразования пучка оптического излучения с гауссовым распределением в пучок с одинаковым распределением интенсивности независимо от координаты в поперечном сечении пучка), и позволяет обеспечить уменьшение спеклов. При этом падающее оптическое излучение 5 из одного источника оптического излучения, такого как, не ограничиваясь, лазерный диод, распределяется равными частями по множеству вторичных «источников» оптического излучения. Волновод 3 также вносит вклад в обеспечение однородности оптического излучения (преобразования пучка оптического излучения с гауссовым распределением в пучок с постоянным распределением интенсивности независимо от координаты в поперечном сечении пучка) и устранение спеклов за счет того, что оптическое излучение от вторичных «источников» распространяется в волноводе 3 и смешивается.
2
Ниже приведены несколько примерных вариантов выполнения изобретения, иллюстрирующих возможные варианты реализации настоящего изобретения, а также подтверждающих возможность реализации назначения изобретения и достижения заявленного технического результата. Следует понимать, что приведенные примерные варианты выполнения изобретения не ограничивают объем изобретения, определяемый нижеприведенной формулой, какими-либо конкретными подробностями. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а в качестве рассеивателя 4 оптического излучения используется матовый диффузор с угловой апертурой 5°. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм.
2
В другом примерном варианте выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а в качестве рассеивателя 4 оптического излучения используется микролинзовый растр размером 20×20 линз с фокусом 500 мкм и периодом 500 мкм. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии также преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм.
2
Еще в одном примерном варианте выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а рассеиватель 4 оптического излучения интегрирован на стадии записи в первый оптический элемент 1 и представляет собой матовый диффузор с угловой апертурой 5°. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм. В данной реализации не требуется согласование матового рассеивателя с первым оптическим элементом 1, снижаются шумы в виде ореола/гало вокруг выходного пучка 6.
Вводной оптический элемент (HOE/DOE1, первый оптический элемент) обеспечивает компактность устройства и оптическое сопряжение рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и волновода 3. Кроме того, первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1) пропускает узкие спектральные полосы видимого спектра оптического излучения, соответствующие рабочим длинам волн системы отображения, в которой используется устройство расширения пучка оптического излучения согласно изобретению. Остальные части оптического излучения видимого спектра отфильтровываются первым оптическим элементом 1 (HOE/DOE1). По существу, остальные части оптического излучения могут просто проходить через оптическую систему устройства, не претерпевая изменений (нулевой порядок), либо могут поглощаться или дифрагировать в другом («нерабочем») направлении.
Выводной оптический элемент (HOE/DOE2, второй оптический элемент) обеспечивает коллимацию выходного оптического излучения 6 с углом расходимости или сходимости менее 0,25° и необходимую форму сечения пучка выходного оптического излучения 6. То есть в рамках объема настоящего изобретения выходной пучок оптического излучения 6 может быть и не строго коллимированным, может иметь место слабая расходимость или сходимость, и размер пучка на значительном удалении в таком случае будет иметь поперечные размеры, отличные от размеров пучка на выходе из устройства согласно изобретению. Иными словами, на выходе из устройства согласно изобретению (на значительном удалении от устройства) может иметь место не цилиндр, а конус лучей, измеряемый в угловой мере, размерность которого составляет 0,25° или 15 угловых минут.
Оптическое излучение, распространяющееся в волноводе 3, после дифракции на выводном оптическом элементе (HOE/DOE2, втором оптическом элементе) выводится из волновода 3 и в высокой степени воспроизводит пучок оптического излучения, который использовался при записи голограммы, и имеет необходимую степень коллимации и форму сечения пучка.
Изобретение описано на примере использования пучка лазерного излучения от внешнего источника исключительно в порядке иллюстрации, и помимо лазерного излучения в изобретении могут использоваться и другие виды когерентного или даже некогерентного оптического излучения от внешнего или встроенного источника.
Пучок лазерного излучения в контексте настоящего изобретения может иметь различные профили распределения электрического поля и излучения в поперечном сечении, среди которых, в качестве неограничивающего примера:
- гауссов пучок;
- многомодовый пучок;
- цилиндрический пучок;
- супер-гауссов пучок (пучок кольцевого сечения);
- пучок Лагерра-Гаусса.
В конкретном иллюстративном примере, который служит исключительно для пояснения варианта выполнения изобретения, но не для ограничения его объема, пучок падающего когерентного оптического излучения 5 в контексте изобретения может характеризоваться определенным распределением в поперечном сечении трех составляющих - синей (длина волны около 460 нм), красной (длина волны около 640 нм) и зеленой (длина волны около 515 нм). Следует отметить, что распределение трех составляющих оптического излучения в поперечном сечении пучка падающего оптического излучения 5, охарактеризованное выше, представляет лишь один из возможных вариантов распределения составляющих и длин волн. Множество других возможных вариантов распределения будут очевидны специалистам в данной области техники при прочтении настоящего описания.
К преимуществам, обеспечиваемым оптической системой, лежащей в основе устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению, относится возможность использования устройства с различными профилями интенсивности пучка падающего оптического излучения. Так, отсутствует необходимость использования различных устройств для источников оптического излучения с разным распределением интенсивностей.
Устройство расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению позволяет сохранить одинаковую однородность, форму сечения пучка и пространственную когерентность пучка выходного оптического излучения 6 при различных источниках падающего оптического излучения на входе (входного оптического излучения 5). Кроме того, как отмечено выше, в выходном оптическом излучении 6 изобретение обеспечивает эффект подавления формирования спеклов. Также обеспечивается улучшенная цветовая гамма формируемого голографического изображения, поляризация оптического излучения, что позволяет сформировать очень реалистичное трехмерное изображение.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ расширения пучка когерентного оптического излучения, проиллюстрированный на Фиг. 4. Способ реализуется устройством для расширения пучка когерентного оптического излучения в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения и содержит следующие этапы.
На этапе S1 рассеивают падающее когерентное оптическое излучение 5 посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, описанного выше в отношении первого аспекта настоящего изобретения. Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой размножает пучок падающего оптического излучения 5 с гауссовым распределением, то есть раскладывает пучок падающего оптического излучения 5 на множество пучков оптического излучения. В одном или более вариантах выполнения падающее когерентное оптическое излучение может5  представлять собой лазерное излучение с одним из различных профилей распределения электрического поля и излучения в поперечном сечении, описанных выше.
На этапе S2 вводят оптическое излучение в волновод 3 посредством первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1).
На этапе S3 направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). В одном или более вариантах выполнения это может осуществляться посредством волновода 3, в котором оптическое излучение, направляемое из первого оптического элемента 1 во второй оптический элемент 2, претерпевает неоднократное полное внутреннее отражение (соответствующие пучки излучения, претерпевающего полное внутреннее отражение в волноводе, обозначены на виде «А» на Фиг. 2 римскими цифрами I, II). Оптическое излучение от вторичных «источников», полученных в результате разложения пучка падающего оптического излучения на множество пучков падающего оптического излучения 5, распространяется в волноводе 3 и смешивается, повышая однородность оптического излучения.
На этапе S4 коллимируют и выводят оптическое излучение из волновода 3 посредством второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) с сохранением когерентности излучения. Коллимация оптического излучения во втором оптическом элементе 2 (HOE/DOE2) реализуется за счет дифракции излучения на втором оптическом элементе 2 (HOE/DOE2), которая восстанавливает или, другими словами, формирует коллимированный пучок.
Для реализации коллимации оптического излучения второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2) может быть получен либо расчетным путем и затем изготовлением, либо методом записи/регистрации картины, полученной в результате интерференции между двумя пучками - идеально коллимированным эталонным пучком, который впоследствии восстанавливается, и пучком, который распространяется по волноводу 3 после рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1).
Выведение оптического излучения посредством второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2), в зависимости от конкретного применения устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению, может осуществляться на любые элементы, внешние по отношению к устройству, в качестве неограничивающего примера - для дальнейшей передачи, трансформации излучения, на элементы-редиректоры - линзы, зеркала. В других вариантах реализации настоящего изобретения оптическое излучение, выводимое из устройства согласно изобретению (через второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2)), может непосредственно освещать экраны, жидкокристаллические (ЖК) панели, либо матрицы, формирующие изображение.
Способ и устройство расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению могут использоваться в качестве элемента подсветки для формирования голографических и/или других трехмерных изображений в различных областях применения. В качестве неограничивающих примеров, настоящее изобретение может быть использовано в различных устройствах отображения, таких как мониторы и телевизоры. Изобретение может быть использовано для формирования изображения в системах дополненной или виртуальной реальности (AR/VR) для различных применений, в нашлемных устройствах отображения, индикаторах на лобовом стекле транспортных средств, системах проецирования информации на лобовое стекло транспортных средств, сканерах отпечатков пальцев. Данные сферы применения настоящего изобретения являются лишь примерами, но не ограничивают область применения настоящего изобретения. Специалистам в данной области техники будет очевидно множество других применений настоящего изобретения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что выше описаны и показаны на чертежах лишь некоторые из возможных примеров технических приемов и материально-технических средств, которыми могут быть реализованы варианты выполнения настоящего изобретения. Приведенное выше подробное описание вариантов выполнения изобретения не предназначено для ограничения или определения объема правовой охраны настоящего изобретения.
Другие варианты выполнения, которые могут входить в объем настоящего изобретения, могут быть предусмотрены специалистами в данной области техники после внимательного прочтения вышеприведенного описания с обращением к сопровождающим чертежам, и все такие очевидные модификации, изменения и/или эквивалентные замены считаются входящими в объем настоящего изобретения. Все источники из уровня техники, приведенные и рассмотренные в настоящем документе, настоящим включены в данное описание путем ссылки, насколько это применимо.
При том, что настоящее изобретение описано и проиллюстрировано с обращением к различным вариантам его выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что в нем могут быть выполнены различные изменения в его форме и конкретных подробностях, не выходящие за рамки объема настоящего изобретения, который определяется только нижеприведенной формулой изобретения и ее эквивалентами.