DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-05-76-85
УДК 53.06
Александр Викторович Морозов1, Сергей Евгеньевич Дубынин2*, Андрей Николаевич Путилин3, Сергей Сергеевич Копёнкин4, Юрий Петрович Бородин5
1, 2, 3, 4, 5Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва, Россия
2Исследовательский центр Самсунг, Москва, Россия
4, 5МИРЭА — Российский технологический университет, Москва, Россия
1morozovav@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0002-6368-7378
2dubyninse@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0452-5325
3putilinan@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0492-0974
4kopenkinss@yandex.ru https://orcid.org/ 0000-0001-7572-4976
5yuri.borodin47@yandex.ru https://orcid.org/ 0000-0003-3021-2058
Аннотация
Предмет исследования. Комбинированные оптические элементы на основе световодов и голографических оптических элементов. Цель работы. Создание компактных оптических систем для преобразования коллимированного пучка с гауссовым распределением энергии от когерентного источника излучения в равномерный и однородный пучок с увеличенными размерами и заданной формой поперечного сечения. Метод. Когерентное излучение вводится в световод и выводится из него с помощью голографических оптических элементов. Световод и согласованный рассеиватель формируют множество вторичных точечных источников, суммарное поле которых в результате интерференции имеет требуемые распределение энергии и апертуру. Основные результаты. Авторами предложены несколько модификаций комбинированных оптических элементов на основе световодов и голографических оптических элементов. достигнута суммарная эффективность таких элементов 40–45% (дифракционная эффективность отдельных голографических оптических элементов порядка 80–85%) при однородности пучка около 80% и снижении контраста спеклов до уровня 20–30%. Практическая значимость. Предложенные в работе технические решения в части разработки комбинированных оптических элементов на основе световодов и голографических оптических элементов позволяют существенно снизить энергопотребление, габариты и массу систем визуализации и особенно устройств виртуальной и дополненной реальности.
Ключевые слова: голографический оптический элемент, расширитель пучка, когерентная система подсветки, дополненная реальность, голографический экран
Ссылка для цитирования: Морозов А.В., Дубынин С.Е., Путилин А.Н., Копёнкин С.С., Бородин Ю.П. Расширитель пучка для системы когерентной подсветки с низким контрастом спеклов // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 5. С. 76–85. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-76-85
Коды OCIS: 030.6140, 050.1950, 050.1970, 050.7330, 090.1970, 090.2820, 090.2870, 090.2890, 090.7330
Beam expander for coherent illumination and speckle reduction
Alexander V. Morozov1, Sergey E. Dubynin2*, Andrey N. Putilin3, Sergey S. Kopenkin4, Yuriy P. Borodin5
1, 2, 3, 4, 5Р.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
2Samsung Research and Development Institute Russia, Moscow, Russia
4, 5MIREA — Russian Technological University, Moscow, Russia
1morozovav@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0002-6368-7378
2dubyninse@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0452-5325
3putilinan@lebedev.ru https://orcid.org/ 0000-0003-0492-0974
4kopenkinss@yandex.ru https://orcid.org/ 0000-0001-7572-4976
5yuri.borodin47@yandex.ru https://orcid.org/ 0000-0003-3021-2058
Abstract
Subject of study. The combined optical elements based on holographic optical elements and a lightguide. Aim of study. Development of compact optical systems for converting a collimated beam with a Gaussian energy distribution from a coherent radiation source into a uniform and homogeneous beam with enlarged dimensions and a required cross-sectional shape. Method. Coherent radiation is coupled into the lightguide and out-coupled from it using holographic optical elements. The lightguide and the matched diffuser form a set of secondary point sources, the total field from which, as a result of interference, has the required energy distribution and aperture. Main results. The authors have proposed several modifications of the combined optical elements based on holographic optical elements and a light guide. The total efficiency of such elements was achieved by 40–45% (the diffraction efficiency of individual elements is about 80–85%) with a beam uniformity of about 80% and a decrease in speckle contrast to the level of 20–30%. Practical significance. The technical solutions proposed in the work regarding the development of combined optical elements based on light guides and holographic optical elements can significantly reduce energy consumption, dimensions and weight of visualization systems, especially wearable virtual and augmented reality devices.
Keywords: holographic optical element, lightguide, beam expander, beam shaper, speckle reducing
For citation: Morozov A.V., Dubynin S.E., Putilin A.N., Kopenkin S.S., Borodin Y.P. Beam expander for coherent illumination and speckle reduction [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 5. P. 76–85. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-05-76-85
OCIS сodes: 030.6140, 050.1950, 050.1970, 050.7330, 090.1970, 090.2820, 090.2870, 090.2890, 090.7330
Список источников
1. Yaras F., Kang H., Onural L. State of the art in holographic displays: A survey // J. Display Technol. 2010. V. 6. № 10. P. 443–454. https://doi.org/10.1109/JDT.2010.2045734
2. Dapu Pi, Juan Liu, Yongtian Wang. Review of computer-generated hologram algorithms for color dynamic holographic three-dimensional display // Light: Science & Applications. 2022. V. 11. Р. 231. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00916-3
3. Jungkwuen An, Kanghee Won, Young Kim, et al. Slim-panel holographic video display // Nature Commun. 2020. V. 11. Р. 5568. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19298-4
4. Chil-Sung Choi, Sung-Hoon Lee, Hoon Song, et al. Compact coherent backlight unit for portable holographic display // Proc. SPIE Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, Thin Films, and Devices. 2019. V. 11089. https://doi.org/10.1117/12.2525214
5. Morozov A.V., Dubinin G.B., Dubynin S.E., et al. High collimated coherent illumination for reconstruction of digitally calculated holograms: Design and experimental realization // Proc. SPIE Digital Opt. Technol. 2017. V. 10335. https://doi.org/10.1117/12.2270181
6. Sun Il Kim, Chil-Sung Choi, Morozov A.V., et al. Slim coherent backlight unit for holographic display using full color holographic optical elements // Opt. Exp. 2017. V. 25. P. 26781–26791. https://doi.org/10.1364/oe.25.026781
7. Chil-Sung Choi, Morozov A.V., Koshelev A., et al. Ultra-slim coherent backlight unit for mobile holographic display // Proc. SPIE Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, and Devices. 2015. V. 9556. https://doi.org/10.1117/12.2186387
8. Морозов А.В., Дубынин С.Е., Дубинин Г.Б. и др. Устройство для расширения пучка оптического излучения и способ расширения пучка оптического излучения для когерентной подсветки // РФ Патент № 2762176. 2021.
9. Morozov A.V., Putilin A.N., Dubynin S.E., et al. Beam expander and method of operating the same // EP Patent № 3943996. 2022.
10. Морозов А.В., Дубынин С.Е., Дубинин Г.Б. и др. Устройство для расширения пучка оптического излучения для когерентной подсветки с набором световодов с дихроичными покрытиями // РФ Патент № 2757071. 2021.
11. Morozov A.V., Dubynin S.E., Dubinin G.B., et al. Beam expander and beam expansion method // US Patent № 0146764. 2022.
References
1. Yaras F., Kang H., Onural L. State of the art in holographic displays: A survey // J. Display Technol. 2010. V. 6. № 10. P. 443–454. https://doi.org/10.1109/JDT.2010.2045734
2. Dapu Pi, Juan Liu, Yongtian Wang. Review of computer-generated hologram algorithms for color dynamic holographic three-dimensional display // Light: Science & Applications. 2022. V. 11. Р. 231. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00916-3
3. Jungkwuen An, Kanghee Won, Young Kim, et al. Slim-panel holographic video display // Nature Commun. 2020. V. 11. Р. 5568. https://doi.org/10.1038/s41467-020-19298-4
4. Chil-Sung Choi, Sung-Hoon Lee, Hoon Song, et al. Compact coherent backlight unit for portable holographic display // Proc. SPIE Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, Thin Films, and Devices. 2019. V. 11089. https://doi.org/10.1117/12.2525214
5. Morozov A.V., Dubinin G.B., Dubynin S.E., et al. High collimated coherent illumination for reconstruction of digitally calculated holograms: Design and experimental realization // Proc. SPIE Digital Opt. Technol. 2017. V. 10335. https://doi.org/10.1117/12.2270181
6. Sun Il Kim, Chil-Sung Choi, Morozov A.V., et al. Slim coherent backlight unit for holographic display using full color holographic optical elements // Opt. Exp. 2017. V. 25. P. 26781–26791. https://doi.org/10.1364/oe.25.026781
7. Chil-Sung Choi, Morozov A.V., Koshelev A., et al. Ultra-slim coherent backlight unit for mobile holographic display // Proc. SPIE Nanoengineering: Fabrication, Properties, Optics, and Devices. 2015. V. 9556. https://doi.org/10.1117/12.2186387
8. Morozov A.V., Dubynin S.E., Dubinin G.B., et al. Device for expanding an optical beam and a method for expanding an optical beam for coherent illumination // RF Patent № 2762176. 2021.
9. Morozov A.V., Putilin A.N., Dubynin S.E., et al. Beam expander and method of operating the same // EP Patent № 3943996. 2022.
10. Morozov A.V., Dubynin S.E., Dubinin G.B., et al. A device for expanding an optical beam for coherent illumination with a set of light guides with dichroic coatings // RF Patent № 2757071. 2021.
11. Morozov A.V., Dubynin S.E., Dubinin G.B., et al. Beam expander and beam expansion method // US Patent № 0146764. 2022.
