Устройство для расширения пучка оптического излучения для когерентной подсветки с набором световодов с дихроичными покрытиями
Изобретение относится к области оптических систем, более конкретно к расширителям пучка оптического излучения, используемым для создания подсветки в средствах формирования и/или отображения трехмерного изображения. Устройство расширения пучка оптического излучения содержит первый оптический элемент, второй оптический элемент и составной волновод, содержащий по меньшей мере два составляющих волновода, разделенные дихроичными покрытиями. Первый оптический элемент выполнен с возможностью ввода коллимированного падающего оптического излучения в составной волновод. Составной волновод выполнен с возможностью разделения оптического излучения на множество волновых фронтов посредством дихроичных покрытий и смешивания множества волновых фронтов при полном внутреннем отражении в составном волноводе. Второй оптический элемент выполнен с возможностью вывода оптического излучения из составного волновода. Технический результат состоит в повышении эффективности оптической системы с сохранением когерентности и коллимации пучка оптического излучения на выходе и с уменьшением или устранением спеклов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.
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.) и датчиках 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 (в особенности важно уменьшение толщины устройства), повышение эффективности при придании однородности и создании определенной формы поперечного сечения (апертуры) пучка оптического излучения, а также снижение контрастности (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, в эффективности подавления спеклов лазерного пучка, а также в сохранении когерентности выходного излучения.
Оптическим системам с расширителями пучка оптического излучения в общем присущи следующие проблемы.
1. Однородность пучка оптического излучения
Обычный высокоэффективный расширитель 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 формирование поперечного сечения пучка (придание ему необходимой формы) с сохранением когерентности пучка при сохранении 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 рассеянных волн от оптически грубых поверхностей.
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 оптического излучения, а также придания необходимой формы его поперечному сечению, с возможностью использования предлагаемого решения с различными источниками оптического излучения без необходимости какой-либо регулировки, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности выводимого пучка оптического излучения.
Задача изобретения состоит в создании устройства для расширения пучка оптического излучения и способа расширения пучка 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 и коллимации 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, содержащим: первый оптический элемент; второй оптический элемент; и составной волновод, содержащий по меньшей мере два составляющих волновода, разделенные дихроичными покрытиями. Первый оптический элемент выполнен с возможностью ввода коллимированного падающего оптического излучения в составной волновод. Составной волновод выполнен с возможностью разделения оптического излучения на множество волновых фронтов посредством дихроичных покрытий и смешивания множества волновых фронтов при полном внутреннем отражении в составном волноводе. Второй оптический элемент выполнен с возможностью вывода оптического излучения из составного волновода. Второй оптический элемент может быть выполнен с возможностью вывода оптического излучения из составного волновода с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с сохранением когерентности и коллимации пучка оптического излучения. По меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE) или голографический оптический элемент (HOE). В одном или более вариантах выполнения устройство дополнительно содержит по меньшей мере один источник падающего оптического излучения, который может представлять собой лазерный диод. По меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента может быть выполнен в виде объемных брэгговских решеток. Одно или более дихроичных покрытий между соответствующими составляющими волноводами в составном волноводе могут быть выполнены в виде многослойного диэлектрического покрытия или в виде многослойного интерференционного зеркала.
Во втором аспекте настоящего изобретения данная задача решается способом расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащим этапы, на которых: вводят коллимированное падающее оптическое излучение в составной волновод посредством первого оптического элемента; разделяют оптическое излучение в составном волноводе на множество волновых фронтов и смешивают множество волновых фронтов при полном внутреннем отражении оптического излучения в составном волноводе; и выводят оптическое излучение из составного волновода посредством второго оптического элемента. Вывод оптического излучения из составного волновода может содержать этап, на котором выводят оптическое излучение с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с сохранением когерентности и коллимации пучка оптического излучения. По меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента может представлять собой дифракционный оптический элемент (DOE) или голографический оптический элемент (HOE). Коллимация оптического излучения может обеспечивать пучок выходного оптического излучения с углом расходимости или сходимости менее приблизительно 0,25°.
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.
На Фиг. 1 показана принципиальная схема структуры устройства расширения пучка оптического излучения согласно изобретению.
На Фиг. 2 схематично проиллюстрирован принцип действия диэлектрического покрытия на границе разделения составляющих волноводов в составном волноводе устройства расширения пучка оптического излучения согласно изобретению.
На Фиг. 3 схематично проиллюстрирована структура многослойного диэлектрического покрытия согласно по меньшей мере одному варианту выполнения изобретения.
На Фиг. 4 схематично проиллюстрирован вариант выполнения, в котором первый оптический элемент выполнен в виде призмы.
На Фиг. 5 схематично проиллюстрирован вариант выполнения, в котором первый и второй оптические элементы выполнены в виде пропускающего голографического оптического элемента (HOE) и отражающего голографического оптического элемента (HOE), соответственно.
На Фиг. 6 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами составного волновода по мощности с его непрерывным перераспределением и смешиванием.
На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по мощности и смешивается посредством множества составляющих волноводов только на выходе из составного волновода.
На Фиг. 8 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по длинам волн.
На Фиг. 9 приведена блок-схема способа расширения пучка оптического излучения согласно изобретению.
Осуществление изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для расширения пучка оптического излучения и способа расширения пучка оптического излучения с обеспечением возможности придания однородности пучку оптического излучения, а также придания необходимой формы его поперечному сечению, с возможностью использования предлагаемого решения с различными источниками оптического излучения без необходимости какой-либо регулировки, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности выводимого пучка оптического излучения и требуемой степени коллимации излучения.
Техническое решение, лежащее в основе настоящего изобретения, основано на использовании волновода, составленного из множества (двух или более) склеенных друг с другом подложек с рассчитанным соотношением толщин подложек. Такой волновод далее в материалах настоящей заявки будет также называться составным волноводом. Между упомянутыми подложками из множества подложек в предлагаемом составном волноводе расположены разделительные покрытия, которые повышают эффективность придания однородности пучку оптического излучения и придания необходимой формы его поперечному сечению путем создания множества волновых фронтов, которые надлежащим образом разделяются и накладываются друг на друга.
За счет формирования множества путей распространения оптического излучения в волноводе, содержащем множество подложек, обеспечивается более эффективное перераспределение энергии между частями волновода и более эффективно придается однородность пучку оптического излучения. Волновод в таком решении может использоваться для разных профилей интенсивности пучка оптического излучения. При этом нет необходимости использования различных устройств для работы с источниками света с разным распределением интенсивности пучка оптического излучения. Достигается одинаковая однородность, форма сечения пучка оптического излучения на выходе из устройства и пространственная когерентность при использовании различных источников оптического излучения. Кроме того, предлагаемое решение также позволяет снизить контрастность спеклов в выходном оптическом излучении, а также обеспечивает независимость характеристик выходного оптического излучения от смещения точки падения оптического излучения на входе в устройство.
В основе предлагаемого устройства лежит использование «составного» волновода, в который вводится падающее оптическое излучение с гауссовым распределением интенсивности оптического излучения. Далее в контексте настоящего изобретения понятие «составной волновод» будет означать волновод, содержащий множество (две или более) склеенных друг с другом подложек с рассчитанным соотношением толщин подложек. Рассчитанное соотношение толщин подложек обеспечивает широкий спектр различий в путях распространения волновых фронтов.
Подложки могут быть выполнены из одинаковых или различных оптических материалов (таких как, в качестве неограничивающего примера, стекло, полимерные материалы, кристаллы и т.п.), сочетание которых подобрано на основании характеристик конкретных материалов. Контрастность спеклов снижается за счет наложения множества фаз. Придание необходимой формы сечению пучка оптического излучения на выходе из устройства обеспечивается за счет смещения волновых фронтов.
В различных вариантах выполнения требуемые характеристики «составного» волновода могут обеспечиваться сочетанием подложек из одинаковых или различных материалов, имеющих различную толщину. В других вариантах выполнения требуемые характеристики «составного» волновода могут обеспечиваться сочетанием подложек, имеющих различные показатели преломления. Кроме того, может использоваться определенное количество (более двух) подложек из одинаковых или различных материалов с одинаковыми или различными толщинами и одинаковыми или различными показателями преломления.
В соответствии с изобретением «составной» волновод реализуется посредством некоторого количества наложенных друг на друга и склеенных друг с другом подложек. По существу, в результате получается набор (стек) из двух или более подложек, обеспечивающий более эффективное смешивание волновых фронтов (перераспределение энергии между частями волновода) и улучшенную однородность оптического излучения. Кроме того, за счет наложения друг на друга двух или более подложек обеспечивается уменьшение габаритов (в частности, длины) волновода, требуемых для достижения необходимой эффективности в его практической реализации. Следует отметить, что в соответствии с изобретением, в общем случае, чем больше количество используемых подложек в «составном» волноводе, тем меньше необходимая длина волновода.
Количество подложек выбирается на основании вычислений, в частности решения задачи оптимизации, с учетом величин потерь энергии или помех, вносимых границами разделения поверхностей подложек, а также с учетом общей толщины получаемого волновода и, таким образом, толщины всего устройства для расширения оптического пучка.
Кроме того, предлагаемое устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению содержит по меньшей мере один оптический элемент которые могут быть реализованы в виде голографических оптических элементов (HOE) или дифракционных оптических элементов (DOE), соответственно. Возможны варианты выполнения, в которых первый оптический элемент представляет собой голографический оптический элемент (HOE), а второй оптический элемент - дифракционный оптический элемент (DOE), и наоборот. Далее в настоящем документе первый оптический элемент будет обозначаться HOE/DOE1, а второй оптический элемент - HOE/DOE2.
Оптические элементы, выполненные, в частности, в виде голографических оптических элементов (HOE), могут использоваться для ввода оптического излучения в «составной» волновод и/или вывода оптического излучения из него с обеспечением большей компактности устройства, а также могут использоваться для коллимации пучка.
В различных вариантах выполнения изобретения оптические элементы (DOE/HOE), обеспечивающие ввод падающего оптического излучения в «составной» волновод и вывод оптического излучения из «составного» волновода, могут быть реализованы в виде отдельных элементов, либо в виде элементов, нанесенных на одну или более поверхностей «составного» волновода, либо могут быть реализованы в виде отражающих или прозрачных голографических оптических элементов (таких как, например, рельефные элементы или объемные Брэгговские решетки), интегрированных в сам «составной» волновод (например, выполненных механическим, химическим способом или одним из методов «записи», хорошо известных специалистам в данной области техники.
В общем случае, предлагаемое устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению содержит один или два оптических элемента. 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 (HOE/DOE1) заключается во вводе падающего коллимированного оптического излучения в составной волновод. Второй оптический элемент (HOE/DOE2) выводит оптическое излучение, поперечное сечение которого сформировано составным волноводом, из устройства в целом с сохранением когерентности и коллимации оптического излучения на выходе.
Кроме того, голографические оптические элементы (HOE) согласно изобретению могут быть выполнены в виде призмы, одна из граней которой имеет оптический контакт с торцом или поверхностью составного волновода для дальнейшего беспрепятственного распространения излучения, а смежная грань имеет наклон, позволяющий нарушить полное внутреннее отражение для ввода излучения в составной волновод или вывода из него, либо могут быть по существу плоскими пропускающими или отражающими HOE, имеющими сложную структуру в виде поверхностного рельефа, микроструктур (например, пузырьки, включения частиц других материалов) или оптических неоднородностей внутри материала, сформированных путем какого-либо механического, термического, химического и т.п. воздействий, с размерами, сопоставимыми с длиной волны используемого оптического излучения. Варианты выполнения таких призм и пропускающих и отражающих HOE проиллюстрированы на Фиг. 4 и 5, соответственно.
В одном или более вариантах выполнения устройство для расширения пучка оптического излучения содержит первый оптический элемент (HOE/DOE1), составной волновод, второй оптический элемент (HOE/DOE2). Кроме того, в одном или более вариантах выполнения в состав устройства для расширения пучка оптического излучения может также входить источник света, такой как, в качестве неограничивающего примера, источник когерентного оптического излучения. Однако в других вариантах выполнения источник оптического излучения может быть внешним элементом по отношению к устройству для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению. В одном или более вариантах выполнения первый оптический элемент и/или второй оптический элемент могут быть выполнены в виде голографических оптических элементов (HOE). В одном или более других вариантах выполнения первый оптический элемент и/или второй оптический элемент могут быть выполнены в виде дифракционных оптических элементов (DOE).
Далее изобретение будет подробно описано на примере одного иллюстративного варианта выполнения. Следует отметить, что данный вариант выполнения приведен исключительно в качестве примера и не ограничивает объем изобретения какими-либо конкретными подробностями.
В рассматриваемом варианте выполнения в состав устройства расширения пучка оптического излучения входит источник оптического излучения, выполненный в виде лазерного диода. Источник оптического излучения формирует коллимированный пучок когерентного оптического излучения с определенным распределением интенсивности в плоскости первого оптического элемента, выполненного в виде голографического оптического элемента (HOE1). В данном иллюстративном варианте выполнения HOE1 выполнен в виде оптической решетки, которая выполнена с возможностью ввода когерентного оптического излучения, падающего в плоскость HOE1, в составной волновод.
Составной волновод по существу содержит множество (два или более) составляющих волновода, разделенных дихроичными покрытиями. В составном волноводе введенное в него оптическое излучение разделяется на множество пучков, распространяющихся по разным оптическим путям, посредством дихроичных покрытий. По существу, таким образом оптическое излучение, введенное в составной волновод, размножается, при этом оптические пути, преодолеваемые различными пучками, имеют разную длину, за счет чего пучки получают различные величины фазового сдвига, и смешиваются друг с другом. После прохождения черед составной волновод (посредством полного внутреннего отражения) оптическое излучение в данном варианте выполнения выводится в плоскость второго оптического элемента, который в данном иллюстративном варианте выполнения также выполнен в виде голографического оптического элемента (HOE2).
HOE2 служит для вывода оптического излучения из каждого из составляющих волноводов, образующих составной волновод, и сбора всего выводимого оптического излучения. При этом второй оптический элемент (HOE2) выполнен таким образом, что оптическое излучение, выходящее из него, характеризуется высокой степенью коллимации и однородности, а также имеет желаемую форму сечения при низкой контрастности спеклов.
Дихроичные покрытия, применяемые в одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения, располагаются на границе разделения каждого из упомянутых составляющих волноводов, образующих вместе составной волновод. Дихроичные покрытия представляют собой множество тонких слоев оптически прозрачных материалов, нанесенных на поверхности подложек (составляющих волноводов), которые вместе образуют составной волновод. Основное назначение дихроичного покрытия состоит в перераспределении излучения между волноводами, входящими в составной волновод, с целью получения заданной степени однородности, формы и размеров выходного пучка. Поверхности подложек, образующих составной волновод, между первым и вторым оптическими элементами покрыты дихроичными покрытиями.
При этом соотношения пропускания и отражения для каждого из используемых покрытий могут быть различными. Они могут быть подобраны таким образом, чтобы обеспечить требуемую общую эффективность оптической системы. Дихроичные покрытия разделяют вводимое оптическое излучение на множество пучков. При этом в различных вариантах выполнения благодаря выбору дихроичных покрытий и подложек с определенными свойствами разделение вводимого в составной волновод оптического излучения на множество волновых фронтов может осуществляться одним или более из следующих способов:
- разделение оптического излучения между различными составляющими волноводами по мощности, с непрерывным перераспределением и смешиванием различных волновых фронтов;
- разделение оптического излучения между различными составляющими волноводами по мощности со смешиванием волновых фронтов только при выводе оптического излучения из волновода (в конце составного волновода);
- разделение оптического излучения между различными составляющими волноводами по длинам волн оптического излучения.
Обращаясь к Фиг. 1, далее будет рассмотрен вариант выполнения изобретения, иллюстрирующий структуру устройства расширения пучка оптического излучения в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения.
Первый оптический элемент, обозначенный далее позицией 1, вводит коллимированный пучок падающего оптического излучения, испускаемого источником оптического излучения, который может быть внешним по отношению к устройству расширения пучка оптического излучения согласно изобретению, либо в некоторых вариантах выполнения может входить в состав устройства согласно изобретению. В качестве источника оптического излучения может использоваться, например, лазерный диод.
Составной волновод, обозначенный далее позицией 2, в данном варианте выполнения состоит из подложек (на Фиг. 1 в качестве иллюстрации показаны две подложки) с рассчитанным соотношением толщин и/или выполненных из различных материалов, подобранных в соответствии с их свойствами, обеспечивает множество путей распространения оптического излучения, таким образом по существу разделяя входной пучок оптического излучения по мощности на несколько более слабых пучков и смещая их друг относительно друга в пространстве, то есть увеличивая размер сечения пучка оптического излучения от размера на входе до размера, по существу соответствующего размеру поверхности второго оптического элемента, обозначенного на Фиг. 1 позицией 4. Формирование множества путей распространения оптического излучения посредством составного волновода также обеспечивает уменьшение контрастности спеклов, поскольку в плоскости второго оптического элемента 4 усредняются фазы всех лучей, составляющих пучок падающего оптического излучения.
Граница раздела между подложками, образующими составной волновод (другими словами, составляющими волноводами, которые образуют составной волновод), обозначенная на Фиг. 1 позицией 3, обеспечивает разделение оптического излучения между подложками для последующего более эффективного смешивания волновых фронтов оптического излучения. Это повышает эффективность придания однородности оптическому излучению и подавления спеклов, и при этом уменьшается общая длина составного волновода за счет разделения излучения на отдельные волновые фронты (пути распространения) оптического излучения и перераспределения оптического излучения между составляющими волноводами (подложками).
Второй оптический элемент 4 придает пучку оптического излучения требуемую форму сечения и выводит пучок оптического излучения из составного волновода.
Первый оптический элемент 1 представляет собой тонкий и эффективный элемент (DOE/HOE1) ввода оптического излучения в составной волновод. В качестве неограничивающего примера, при применении устройства расширения оптического излучения в качестве составной части дисплея (например, голографического дисплея) узкие спектральные линии оптического излучения видимого спектра, соответствующие рабочим длинам волн упомянутого дисплея, подвергаются дифракции и вводятся в составной волновод. Не претерпевающие дифракцию части оптического излучения видимого спектра не вводятся в составной волновод.
Составной волновод 2 обеспечивает повышенную однородность (посредством превращения пучка оптического излучения с Гауссовым распределением интенсивностей в пучок с одинаковым распределением интенсивности независимо от координаты в поперечном сечении пучка) оптического излучения и снижает контрастность спеклов. Это обеспечивается, в частности, за счет того, что падающее оптическое излучение распространяется в составном волноводе по множеству путей распространения оптического излучения и смешивается посредством множества (двух или более) составляющих волноводов и дихроичных покрытий.
Граница раздела между подложками, содержащая дихроичные покрытия, позволяет с достижением преимущества снизить необходимую длину волновода, что обеспечивает улучшенную компактность устройства расширения пучка оптического излучения согласно изобретению в целом. Размеры устройства расширения пучка в первую очередь определяются размерами и компоновкой устройства, в состав которого входит изобретение.
Оптическое излучение от источника света, вводимое в составной волновод, должно эффективным образом разделяться и перераспределяться по мощности и/или длине волны (цвету) между составляющими волноводами (подложками) составного волновода, чтобы обеспечить эффективное смешивание волновых фронтов оптического излучения.
Второй оптический элемент 4 представляет собой тонкий и эффективный выводной оптический элемент (DOE/HOE2) (выводную оптическую решетку), назначением которого является вывод оптического излучения из составного волновода с необходимым уровнем коллимации и необходимой формой и размером сечения оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 4. По существу, из составного волновода выводится оптическое излучение, которое было подвергнуто смешиванию волновых фронтов с различными уровнями мощности и/или длинами волн, для обеспечения надлежащей однородности выводимого оптического излучения и значительного снижения контрастности спекловой картины. В результате обеспечивается необходимая форма апертуры (сечения) пучка оптического излучения, выводимого из устройства расширения пучка оптического излучения согласно изобретению.
Также предлагаемое решение обеспечивает компактность конструкции устройства, и в частности уменьшенные габариты и малую толщину, что позволяет применять устройство расширения пучка оптического излучения согласно изобретению в устройствах отображения (формирования изображения), имеющих малую толщину.
В описанном выше примерном варианте выполнения изобретения достигается однородность оптического излучения на выходе из устройства расширения пучка оптического излучения более 80%. Оценка однородности в контексте настоящего изобретения может выполняться, в качестве неограничивающего примера, по стандарту VESA для мониторов и контрасту спекловой картины (отношение яркости спекла с минимальной величиной к яркости спекла с максимальной величиной в области заданного размера по всему полю).
В различных вариантах выполнения первый оптический элемент (входная оптическая решетка, HOE/DOE1) может быть выполнен из любого материала, который является оптически прозрачным в спектральном диапазоне оптического излучения, генерируемого 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 или выполненного в виде части поверхности волновода;
- элемента, интегрированного в конструкцию волновода;
- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).
Составной волновод может представлять собой множество (две или более) подложек с тонкопленочным покрытием или без него, либо с одно- или многослойным пленочным покрытием на одной или более его поверхностях. Каждая из множества подложек 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.
Составной волновод может включать в себя любое необходимое количество (две или более) подложек (составляющих волноводов), выбранное на основании рассмотренных выше критериев, которые могут иметь или не иметь тонкопленочные покрытия, и которые могут быть соединены между собой посредством оптически прозрачного клеевого состава, оптического контакта и/или оптически прозрачной иммерсии с использованием иммерсионной жидкости, которая заполняет возможный воздушный зазор между подложками и подбирается по оптическим параметрам максимально приближенной к подложкам с целью минимизации нежелательных эффектов на границе раздела.
Подложки могут иметь одинаковую или различную толщину и могут быть выполнены из одинакового материала или из различных материалов (стекла, полимерных материалов, кристаллов и т.п.). Дихроичные покрытия на одной или более границах раздела между подложками могут быть выполнены в виде множества тонких слоев диэлектрических оптически прозрачных материалов или тонких металлических слоев, нанесенных на одну или обе поверхности каждой из подложек, составляющих составной волновод.
Второй оптический элемент (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, интегрированного в конструкцию волновода;
- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).
В одном из вариантов выполнения, первый и/или второй оптические элементы могут быть выполнены посредством процесса «записи» в структуре оптической решетки, реализующей первый и/или второй оптические элементы, соответственно. Запись может осуществляться двумя способами - аналоговым и цифровым, соответственно.
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 второму пучку оптического излучения, участвовавшему в записи. Иными словами, обычная дифракционная решетка по существу представляет собой интерференционную картину между двумя коллимированными пучками. Цифровая запись подразумевает не формирование требуемого пучка, а расчет/моделирование требуемой структуры DOE/HOE и последующего ее получения литографическим, химическим, механическим или каким-либо другим известным способом получения микроструктур.
Каждый из множества волновых фронтов (пучков оптического излучения), формируемых путем размножения пучка падающего оптического излучения в составном волноводе, формирует свою постоянную во времени спекловую картину, отличную от спекловых картин других волновых фронтов. Наложение спекловых картин от множества полученных в составном волноводе пучков оптического излучения, позволяет значительно снизить контрастность спекловой картины, формирующейся на втором оптическом элементе. Суммарная контрастность спекловой картины на втором оптическом элементе уменьшается в 
раз, где n - количество пучков оптического излучения, полученных в составном волноводе. Реализация оптической схемы с составным волноводом в устройстве для расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению позволяет уменьшить формирование спеклов в выходном оптическом излучении из второго оптического элемента на величину до 80%.
Обращаясь к Фиг. 2, рассмотрим иллюстративный вариант выполнения, в котором дихроичные покрытия на границах разделения между одной или более подложками (составляющими волноводами), составляющими слои составного волновода, выполнены в виде многослойного интерференционного зеркала. Обычно такие многослойные интерференционные зеркала выполнены на основе диэлектрических материалов с разными показателями преломления, поэтому такие зеркала называются диэлектрическими зеркалами. По сравнению с интерференционными зеркалами на металлической основе многослойные интерференционные зеркала обладают следующими преимуществами:
1) большей отражающей способностью (до 99,9%);
2) обеспечивают значительно более низкие потери на поглощение оптического излучения зеркалами, что критично для повышения качества интерференционной оптической системы;
3) использование интерференционных зеркал позволяет преодолеть ограничения, связанные с природой отражения от металла, и значительно повышают рабочий диапазон длин волн;
4) возможность создания интерференционного зеркала с любой необходимой величиной отражающей способности;
5) возможность выполнения интерференционного зеркала таким образом, что оно обладает высокой отражающей способностью в одной области спектра и является почти прозрачным для других длин волн.
Действие многослойных интерференционных зеркал основано на многолучевой интерференции, которая может иметь место при множестве отражений пучка оптического излучения в плоскопараллельной пластине или при отражениях от границ раздела слоев в многослойных структурах.
На Фиг. 3 схематично проиллюстрирован вариант выполнения, в котором дихроичное покрытие, применяемое на границе раздела слоев составного волновода, представляет собой многослойное диэлектрическое покрытие, содержащее n слоев, часть из которых имеет более высокий показатель преломления (nвыс), а часть - более низкий показатель преломления (nниз), соответственно. В результате многократного переотражения в слоях и взаимодействия между лучами возникает многолучевая интерференция, при которой в зависимости от количества слоев и материалов происходит увеличение интенсивности одних и ослабление других лучей (по типу - отраженный/прошедший или по длине волны).
На Фиг. 6 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами составного волновода по мощности с его непрерывным перераспределением и смешиванием. Это реализуется за счет многократного полного внутреннего отражения оптического излучения в составном волноводе, при этом дихроичное покрытие на границе разделения составляющих волноводов (подложек) составного волновода пропускает часть оптического излучения и отражает другую его часть для каждого из получаемых разделением оптического излучения волновых фронтов.
Вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами составного волновода по мощности с его непрерывным перераспределением и смешиванием является наиболее эффективным и компактным за счет более интенсивного перемешивания лучей, однако он в большей степени подходит для монохроматического излучения.
На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по мощности и смешивается посредством множества составляющих волноводов только на выходе из составного волновода. В данном варианте выполнения составной волновод содержит три составляющих волновода (подложки), при этом на границах раздела между составляющими волноводами расположены зеркальные дихроичные покрытия, которые не пропускают оптическое излучение, распространяющееся в каждом из составляющих волноводов, а побуждают его распространяться по каждому из составляющих волноводов в отдельности, при этом оптическое излучение претерпевает смешивание лишь ближе к концу составного волновода, перед выводом оптического излучения из составного волновода в плоскости второго оптического элемента.
Вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по мощности и смешивается посредством множества составляющих волноводов только на выходе из составного волновода, является наиболее простым в реализации и экономически выгодным для устройств массового сегмента, таких как, в качестве неограничивающего примера, мониторы, телевизоры и т.п., в которых предъявляются не очень жесткие требования к габаритам, поскольку перемешивание пучков оптического излучения в данном варианте выполнения происходит не так эффективно, и для достижения эффекта требуется значительная длина волновода.
На Фиг. 8 проиллюстрирован вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по длинам волн. В данном варианте выполнения используется три составляющих волновода (подложки), на границах разделения которых расположены дихроичные покрытия, выполненные таким образом, что оптическое излучение красного спектра остается в первом составляющем волноводе и распространяется только по нему, оптическое излучение зеленого спектра пропускается первым дихроичным покрытием и распространяется по первому и второму составляющим волноводам, а оптическое излучение синего спектра пропускается первым и вторым дихроичными покрытиями в третий составляющий волновод и распространяется по первому, второму и третьему составляющим волноводам, претерпевая полное внутренне отражение лишь от внешних поверхностей составного волновода, но не от дихроичных покрытий между составляющими волноводами.
Вариант выполнения изобретения, в котором оптическое излучение разделяется между составляющими волноводами по длинам волн, аналогичен первому варианту выполнения изобретения, однако он может применяться для нескольких длин волн, хотя и требует немного больших размеров составного волновода.
В общем случае, устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению включает в себя первый оптический элемент, второй оптический элемент и составной волновод, соединяющий первый оптический элемент и второй оптический элемент. 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 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, коллимированное оптическое излучение с определенным распределением интенсивности в плоскости первого оптического элемента. 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 первый оптический элемент падает пучок когерентного (в качестве неограничивающего примера, лазерного), коллимированного оптического излучения с гауссовым распределением интенсивности оптического излучения. Из этого падающего оптического излучения в составном волноводе формируется множество пучков оптического излучения (волновых фронтов) с необходимыми диаграммами направленности для сохранения энергии оптического излучения.
Проходя по составному волноводу, множество пучков оптического излучения (волновых фронтов) претерпевает смешивание для обеспечения высокой степени однородности оптического излучения и увеличения размеров выходного пучка и попадает на второй оптический элемент (HOE/DOE2), который объединяет все смешанные пучки оптического излучения, прошедшие по составному волноводу, в одно пятно, имеющее требуемую форму и выводит его из составного волновода. При этом на выходе второго оптического элемента (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 (HOE/DOE2) имеет форму и размеры сечения, по существу соответствующие форме и размерам второго оптического элемента (HOE/DOE2), то есть по существу полностью покрывает плоскость второго оптического элемента (HOE/DOE2), не выходя за ее пределы, что обеспечивает высокую эффективность подсветки коллимированным выходным оптическим излучением.
В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения применение составного волновода, состоящего из множества (двух или более) подложек (составляющих волноводов), между которыми находятся дихроичные покрытия, 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 контрастности спеклов. При этом падающее оптическое излучение из одного источника оптического излучения, такого как, не ограничиваясь, лазерный диод, разделяется на множество вторичных «источников» оптического излучения. Волновод 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 и смешивается.
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 примерных иллюстративных вариантов выполнения изобретения устройство расширения пучка оптического излучения содержит первый и второй оптические элементы, выполненные в виде голографических оптических элементов (HOE1 и HOE2, соответственно), и составной волновод длиной 45мм из трех волноводов с толщинами 0.4мм, 0.7мм и 1,0мм из стекла одной марки Eagle Glass, в котором подложки (составляющие волноводы) разделены дихроичным покрытием с соотношением пропускание/отражение равным 1/1 или 50%/50% для одной длины волны. В устройство расширения пучка оптического излучения согласно данному варианту выполнения вводили пучки оптического излучения красного и синего цвета. Пучки оптического излучения от полупроводникового лазерного диода диаметром 9 мм и гауссовым распределением энергии были преобразованы пучки оптического излучения квадратного сечения 5х5 мм с уровнем однородности 75% и устранением спеклов на 82% для пучка оптического излучения красного цвета и уровнем однородности 67% и устранением спеклов на 79% для пучка оптического излучения синего цвета. Это подтверждает возможность достижения заявленного технического результата и, в частности, обеспечение высокой однородности оптического излучения на выходе из устройства согласно изобретению и значительное снижение контрастности спекловой картины (устранение спеклов) в имеющем требуемую форму и размер сечения коллимированном пучке оптического излучения на выходе из устройства расширения пучка оптического излучения согласно изобретению.
Вводной оптический элемент (HOE/DOE1, первый оптический элемент) обеспечивает компактность устройства и оптическое сопряжение с составным волноводом. Кроме того, первый оптический элемент (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 (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 вывод излучения из составного волновода и необходимую форму сечения пучка выходного оптического излучения. В рамках объема настоящего изобретения выходной пучок оптического излучения 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 не превышает 0,25° или 15 угловых минут.
Оптическое излучение, распространяющееся в волноводе, после дифракции на выводном оптическом элементе (HOE/DOE2, втором оптическом элементе) выводится из волновода 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 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, 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 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 выходного оптического излучения при различных квазимонохроматических источниках падающего оптического излучения на входе. А в случае использования когерентных источников оптического излучения на входе, кроме того, как отмечено выше, в выходном оптическом излучении изобретение сохраняет пространственную когерентность пучка и обеспечивает эффект подавления 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. 9. Способ реализуется устройством для расширения пучка когерентного оптического излучения в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения и содержит следующие этапы.
На этапе S1 вводят падающее коллимированное когерентное оптическое излучение в первый оптический элемент (HOE/DOE1). В одном или более вариантах выполнения падающее когерентное оптическое излучение может представлять собой лазерное излучение с одним из различных профилей распределения электрического поля и излучения в поперечном сечении, описанных выше.
На этапе S2 направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента (HOE/DOE2) посредством составного волновода, в котором оптическое излучение, направляемое из первого оптического элемента во второй оптический элемент, претерпевает многократное полное внутреннее отражение, распространяясь по составному волноводу в виде множества волновых фронтов (пучков оптического излучения), которые могут быть разделены по интенсивности, длине волны, фазе и т.п. Оптическое излучение, разделенное на упомянутое множество волновых фронтов, распространяется в волноводе и смешивается, повышая однородность оптического излучения.
На этапе S3 выводят оптическое излучение из волновода посредством второго оптического элемента (HOE/DOE2) с сохранением когерентности излучения.
Выведение оптического излучения посредством второго оптического элемента (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 (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.
1. Устройство для расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащее:
первый оптический элемент;
второй оптический элемент; и
составной волновод, содержащий по меньшей мере два составляющих волновода, разделенные дихроичными покрытиями;
при этом первый оптический элемент выполнен с возможностью ввода коллимированного падающего оптического излучения в составной волновод;
составной волновод выполнен с возможностью разделения оптического излучения на множество волновых фронтов посредством дихроичных покрытий и смешивания множества волновых фронтов при полном внутреннем отражении в составном волноводе; и
второй оптический элемент выполнен с возможностью вывода оптического излучения из составного волновода.
2. Устройство по п. 1, в котором второй оптический элемент выполнен с возможностью вывода оптического излучения из составного волновода с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с сохранением когерентности и коллимации пучка оптического излучения.
3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE).
4. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE).
5. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один источник падающего оптического излучения.
6. Устройство по п. 5, в котором по меньшей мере один источник падающего оптического излучения представляет собой лазерный диод.
7. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента выполнен в виде объемных брэгговских решеток.
8. Устройство по п. 1, в котором одно или более дихроичных покрытий между соответствующими составляющими волноводами в составном волноводе выполнены в виде многослойного диэлектрического покрытия.
9. Устройство по п. 1, в котором одно или более дихроичных покрытий между соответствующими составляющими волноводами в составном волноводе выполнены в виде многослойного интерференционного зеркала.
10. Способ расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащий этапы, на которых:
вводят коллимированное падающее оптическое излучение в составной волновод посредством первого оптического элемента;
разделяют оптическое излучение в составном волноводе на множество волновых фронтов и смешивают множество волновых фронтов при полном внутреннем отражении оптического излучения в составном волноводе; и
выводят оптическое излучение из составного волновода посредством второго оптического элемента.
11. Способ по п. 10, в котором вывод оптического излучения из составного волновода содержит этап, на котором выводят оптическое излучение с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с сохранением когерентности и коллимации пучка оптического излучения.
12. Способ по п. 10, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE).
13. Способ по п. 10, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE).
14. Способ по п. 10, в котором коллимация оптического излучения обеспечивает пучок выходного оптического излучения с углом расходимости или сходимости менее приблизительно 0,25°.
