RU2282228C1 - Способ подавления лазерных спеклов в оптических сканирующих дисплеях и устройство для его осуществления (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретения относятся к области оптических информационных технологий. В способе перестраивают частоту излучения лазера с периодичностью, меньшей, чем быстродействие глаза человека, и с величиной девиации частоты Δv, большей обратной величины временной задержки лазерного излучения в формирователе Δτ. В устройстве в качестве формирователя пространственно-временных спеклов используют многомодовое оптическое волокно, длина которого определяется из соотношения L=k·Δτ, где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна. Предложено также устройство для подавления спеклов в оптических сканирующих дисплеях при создании цветного изображения. Техническим результатом является возможность подавления лазерных спеклов при сохранении пространственного разрешения когерентной оптической системы, уменьшение потерь лазерной мощности и обеспечение максимального оптического разрешения дисплея. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Изобретения относятся к области оптических информационных технологий, в частности к созданию цветных лазерных проекционных телевизоров.

При использовании пространственно-когерентных лазерных пучков интенсивность которых модулируется видеосигналом в помощью внешних акусто- или электрооптических модуляторов и разворачивается в двумерное изображение с помощью сканирующих систем, создавая на рассеивающем экране оптическое изображение, вследствие эффекта интерференции рассеянных волн на неоднородностях экрана возникает пятнистая структура изображения, так называемый спекл-эффект (См.: Франсон X. Оптика спеклов. М.: Мир, 1980, 180 с.; Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М.: Наука, 1985, 222 с.). Спекл-эффект наблюдается в пространственно-когерентных системах формирования изображения рассеивающих объектов. Оптическая система становится пространственно-когерентной, если освещенность каждой точки изображения формируется в результате интерференции волн, рассеянных объектом в пределах ячейки разрешения.

В области действительного изображения спеклы возникают при пространственно-когерентном освещении рассеивающего объекта в случае, когда оптическая система не разрешает рассеивающие неоднородности поверхности объекта. Эти спеклы называют субъективными (См.: Гудман Дж. Введение в Фурье оптику. М.: Мир, 1970), поскольку они формируются в пространстве изображений оптической системы, которой является глаз наблюдателя и определяются параметрами этой системы с учетом временного отклика фотодетектора (для глаза человека, определяемой постоянной времени возникновения нейронного изображения в ганглиозных клетках сетчатки и зрительной коры головного мозга). Типичное значение быстродействия глаза человека 0.02 с (См.: Шамшинова А.М., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии М.: Медицина, 1999, с.415).

Субъективные спеклы возникают не только при полностью пространственно-когерентном освещении всего объекта, например в лазерном излучении, но и в частично когерентном свете источников с конечной временной когерентностью, например в излучении светодиодов. Для возникновения спекл-эффекта в области действительного изображения необходимо чтобы оптическая система разрешала область поперечной пространственной когерентности света на поверхности объекта и не разрешала рассеивающие неоднородности объекта. Это условие можно написать в виде неравенства

где r_c - поперечный размер рассеивающих неоднородностей, d_R - диаметр ячейки разрешения оптической системы, ρ_c - радиус поперечной пространственной когерентности света на поверхности объекта (экрана).

Известен способ подавления субъективных спеклов, заключающийся в фокусировке и оптимизации апертурных параметров проекционной оптической системы по отношению к апертурным параметрам изображающей оптической системы (глаза наблюдателя) с целью выполнения следующего условия

где r_C - поперечный размер рассеивающих неоднородностей на экране;

ρ_с - радиус когерентности;

d_R - диаметр ячейки разрешения глаза наблюдателя на поверхности экрана.

Для пространственно-когерентного лазерного пучка радиус когерентности ρ_C совпадает с диаметром перетяжки 2w₀ лазерного пучка на поверхности экрана, 2w₀=ρ_с. С физической точки зрения условие (2) означает, что глаз наблюдателя не разрешает лазерное пятно на поверхности экрана. В этом случае в зрачке отсутствует спекл-модуляция. Следовательно, отсутствуют спеклы на сетчатке. Сканирование лазерного пучка порождает только высокочастотные флуктуации интенсивности света на сетчатке, которые усредняются глазом (См.: IBM Technical Disclosure Bulletin, V.40, N.7. July 1997).

Однако данный способ имеет существенные ограничения, связанные с возможностью реализации соотношения (2). Так как угловое разрешение глаза, соответствующее остроте зрения, равного единице по Российским стандартным таблицам (Головина-Сивцева) и международным таблицам (кольца Ландольта), соответствуют одной угловой минуте (См.: Шамшинова А.М., Волков В.В. Функциональные методы исследования в офтальмологии. М.: Медицина, 1999, 415 с.), то соотношение (2) накладывает ограничения на минимальное расстояния до экрана при соответствующем размере лазерного пятна на экране, который должен удовлетворять условию

Данный способ подавления спеклов требует, чтобы размер лазерного пучка удовлетворял условию (3), тогда при расстоянии от глаза до экрана, например, L=2 метра диаметр пучка должен быть меньше 2w₀=0,58 мм. При числе пикселей порядка 1000 размер экрана должен быть не более 0,58 метра, а при L=10 метров лазерный пучок необходимо сфокусировать до 2w₀=2,9 мм, при этом размер экрана порядка 2,9 метра. Однако, чтобы спеклы не искажали картину, наблюдатель должен находиться не ближе ограничения, определяемого соотношением (3).

Известен (См. J.I.Trisnadi. Hadamard speckle contrast reduction. Optics Letters. January 1, 2004 / Vol.29, No.1, p.11-13) способ подавления спекл-структуры при использовании изменения поляризационных свойств рассеянного излучения. Максимальный спекл-эффект наблюдается при интерференции с высоким контрастом полос, который реализуется при одинаковой поляризации рассеянных волн. Поэтому высоко контрастные спеклы формируются при однократном рассеянии света. Если в пределах ячейки разрешения оптической системы когерентные световые волны испытывают многократное рассеяние, определяемое свойствами экрана, что приводит к изменению состояния поляризации рассеянного света. В области изображения складываются волны с различной поляризацией, и это приводит к сглаживанию субъективного спекл-эффекта и уменьшению контраста спеклов.

Недостатком данного способа является то, что многократное рассеяние, которое возникает в объемных средах, наряду с разрушением поляризации увеличивает минимальный размер фокального пятна (Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. 320 с.).

Таким образом, увеличение кратности рассеяния снижает контрастность спеклов, но при этом увеличивает (в несколько раз) размер фокального пятна на экране и таким образом снижается разрешение оптической системы.

Известен способ получения изображений, включающий деление когерентного светового пучка на объектный и опорный световые пучки, пропускание объектного светового пучка через оптический транспарант, делительный элемент, введение объектного и опорного пучков в нелинейную среду одновременно со встречным опорным пучком, размещение экрана в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью транспаранта, экспонирование изображения, отличающийся тем, что объектный световой пучок перед введением в нелинейную среду пропускают через фазовую пластинку, которую перемещают поперек пучка, а суммарное время экспозиции в процессе экспонирования выбирают большим, чем время изменения спекл-структуры, вызванное перемещением фазовой пластинки (см. патент РФ №2030779, МПК G 03 H 1/32).

Однако данный способ имеет ограничения, обусловленные тем, что объектный световой пучок после пропускания через фазовую пластинку увеличивает размеры рассеянного пятна и, соответственно, увеличивает минимальный размер пучка на экране.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ подавления спеклов, заключающийся в пропускании лазерного пучка через пространственный формирователь спеклов в виде случайного фазового экрана, полученная на выходе формирователя спекл-структура с помощью оптической системы отображается и фокусируется в минимальное фокальное пятно на экране дисплея. Для подавления спекл-структуры, формирующейся в глазу наблюдателя, пространственно сканируют (перемещают) случайный фазовый экран поперек пучка с частотой, которая обеспечивает скорость перемещения случайных спеклов на сетчатке глаза, при которой спеклы не воспринимаются глазом человека, что приводит к усредненной в пределах рассеянного лазерного пятна интенсивности излучения (См.: J.I.Trisnadi. Speckle contrast reduction in laser projection displays. Proc. SPIE. V.4657, 2002, p.131-137).

Однако данный способ имеет ограничения, связанные с увеличением размера рассеянного пятна на фазовом экране и, соответственно, увеличением минимального размера пучка на экране дисплея. Лазерное излучение, прошедшее случайный фазовый экран, имеет расходимость, на два порядка превышающую расходимость лазерного пучка до формирователя (~ 1 мрад - Edmund Industrial Optics 2004, Catalog; www.edmundoptics.com), поэтому при индикатрисе рассеяния, сильно превышающем числовую апертуру оптической системы, формирующей изображение на экране, возникают потери оптической мощности используемого лазерного излучения.

Известно устройство для подавления спеклов, выбранное в качестве прототипа предлагаемого устройства, представляющее собой случайный фазовый экран, выполненный в виде случайной фазовой пластинки, которая пространственно сканируется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения лазерного пучка, выбранное в качестве прототипа устройства (См.: J.I.Trisnadi. Speckle contrast reduction in laser projection displays. Proc. SPIE. V.4657, 2002, p.131-137).

Однако использование такого устройства для подавления спеклов приводит к уменьшению пространственного разрешения оптических дисплеев и дополнительной потере мощности лазерного излучения.

Задачей предлагаемого способа является подавление лазерных спеклов при сохранении пространственного разрешения когерентной оптической системы, способствующей оптимальному видеоизображению, и уменьшении потерь лазерной мощности. Задачей предлагаемого устройства подавления спеклов в лазерных сканирующих дисплеях является создание максимального оптического разрешения дисплея.

Поставленная задача решается тем, что в способе подавления лазерных спеклов, включающем пропускание лазерного пучка через формирователь пространственно-временных спеклов, отображение и фокусировку с помощью оптической системы лазерного излучения на выходе формирователя в минимальное фокальное пятно на экране, согласно предлагаемому решению перестраивают частоту излучения лазера с периодичностью, меньшей, чем быстродействие глаза человека, и с величиной девиации частоты Δν, большей обратной величины временной задержки лазерного излучения в формирователе Δτ, в качестве формирователя используют многомодовое оптическое волокно, при этом величина девиации частоты излучения лазера Δν находится с величиной временной задержки излучения в формирователе Δτ в следующем соотношении:

Поставленная задача решается также тем, что для создания монохромного изображения в устройстве для подавления спеклов в оптических сканирующих дисплеях, содержащем лазер, формирователь пространственно-временных спеклов, согласно решению лазер выполнен с возможностью перестройки частоты, формирователь представляет собой многомодовое оптическое волокно, длина L которого определяется из соотношения

L=k·Δτ,

где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна.

Для создания цветного изображения устройство для подавления спеклов в оптических сканирующих дисплеях, содержащее полупроводниковый лазер, излучающий красный свет, формирователь пространственно-временных спеклов, согласно решению дополнительно содержит два твердотельных лазера, излучающих зеленый и синий свет соответственно, одно из зеркал каждого из резонаторов которых закреплено на устройстве для перестройки длины резонатора лазеров, например пьезопластине, генератор пилообразного напряжения для перестройки частоты лазеров, подключенный к полупроводниковому лазеру и устройству перестройки длины резонатора лазеров (пьезопластинам), три модулятора интенсивности света, оптически связанные с лазерными пучками и имеющие электрический вход для подачи телевизионного видеосигнала, оптический выход которых соединен с волоконно-оптическим смесителем, соединенным с формирователем пространственно-временных спеклов в виде многомодового волокна, длина L которого определяется из соотношения

L=k/Δν_min,

где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна.

Δν_min - минимальная девиация частоты излучения лазеров.

Предлагаемые изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 приведен вариант выполнения устройства для реализации способа подавления спеклов для монохромного изображения. На фиг.2 - вариант устройства для подавления спеклов в цветном лазерном телевизоре. На фиг.3 изображена контрастная спекл-структура, возникающая при излучении с выходного торца типичного многомодового оптического волокна (диаметр центральной жилы 50 микрон, оболочки 125 микрон, числовая апертура NA=0.2; длина волокна 10 метров) при пропускании излучения полупроводникового лазерного диода с постоянным током инжекции и, соответственно, постоянной частотой излучения лазерного диода, которая наблюдается с помощью ПЗС цифровой черно-белой видео-камеры типа "Video-Scan" VS-CCT-075, имеющей пространственное разрешение, сравнимое с разрешением глаза человека.

На фиг.4 - режим подавления спекл-структуры при использовании лазерного диода с перестраиваемой частотой, с величиной девиацией частоты Δν, большей, чем обратная величина временной задержки волноводных мод, возбуждаемых в волокне определенной длины (однозначно связанная с величиной межмодовой дисперсии) при периоде модуляции (Т=1 мс), меньшем, чем быстродействие цифровой видео-камеры, моделирующей глаз человека.

На фиг.5, 6 приведены результаты измерений спекл-структуры для двух значений частоты, отличающихся на 330 МГц при фиксированной длине многомодового волокна (100 метров), показывающих эффект динамики спеклов при перестройке частоты излучения лазера.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - генератор электрического пилообразного напряжения с периодом, меньшим быстродействия глаза человека (0.02 с), и амплитудой, вызывающей девиацию частоты Δν в лазере;

2 - лазер монохромный, с перестройкой частоты излучения Δν;

3 - полупроводниковый инжекционный лазерый диод с длиной волны λ=0.65 мкм, излучающий в красной области спектра с модуляцией тока инжекции, вызывающей уровень девиации частоты Δν_R;

4 - твердотельный YAG:Nd лазер с диодной накачкой и внутрирезонаторным генератором второй гармоники с выходным оптическим излучением на длине волны λ=0.534 мкм ("зеленый");

5 - твердотельный YAG:Nd лазер с диодной накачкой и внутрирезонаторным генератором второй гармоники с выходным оптическим излучением на длине волны 0.473 мкм; ("синий");

6 - модуляторы интенсивности лазерного излучения, на электрический вход которых поступает телевизионный видео-сигнал;

7 - микролинзы с числовой апертурой, равной числовой апертуре многомодового волокна, используемого в волоконном смесителе и формирователе спеклов;

8 - волоконно-оптический смеситель;

9 - формирователь спеклов;

10 - оптическая система, обеспечивающая переотображение выходного торца оптического волокна (9) на экран дисплея и фокусировку лазерного пучка, для получения минимального фокального пятна 2w₀, меньшего, чем диаметр ячейки разрешения глаза наблюдателя на поверхности экрана d_R;

11 - пространственный сканер лазерного пучка;

12 - рассеивающий экран лазерного дисплея;

13 - пьезодвигатель резонатора лазера в виде пьезопластины, с укрепленным на ней зеркалом резонатора, перестраивающей длину резонатора L_R твердотельных YAG:Nd лазеров с диодной накачкой и уровнем девиации частоты Δν_G,B, не превышающем межмодовое расстояние Δν_G,B=C/2 L_R;

14 - глаз наблюдателя, на сетчатке которого формируются спеклы.

Устройство для подавления спеклов в цветных лазерных телевизорах (фиг.2) содержит генератор пилообразного напряжения (1), электрически связанный с полупроводниковым инжекционным лазерным диодом (3). Одно из зеркал каждого из двух других твердотельных лазеров (4) и (5), входящих в состав устройства, снабжено пьезодвигателем (13). Лазеры (3), (4), (5) оптически связаны с модулятором интенсивности лазерного излучения (6). Модуляторы имеют электрический вход для подачи телевизионного видео-сигнала и с помощью линз (7) связаны с волоконно-оптическим смесителем (8), оптически соединенным с формирователем спеклов (9), представляющим собой многомодовое оптическое волокно определенной длины. Оптическая система (10) и система двумерного пространственного сканера лазерного пучка (11) предназначены для формирования на экране дисплея (12) телевизионного цветного изображения, которое наблюдается глазом человека (14).

Устройство для подавления лазерных спектров в оптических сканирующих дисплеях работает следующим образом.

Электрический сигнал с генератора пилообразного напряжения (1) с определенной выходной амплитудой и периодом, меньшим быстродействия глаза человека, поступает через согласующее устройство (на чертеже не показан) на электрический вход полупроводникового инжекционного лазерного диода (3), излучающего в красной области видимого спектра (с длиной волны λ=0.65 мкм), в котором модуляция тока инжекции вызывает частотное сканирование лазерной частоты с уровнем девиации частоты Δν_R, пропорциональным глубине модуляции тока инжекции. Сканирование частоты в твердотельных лазерах (4),(5) с уровнем девиации Δν_G и Δν_B, излучающих в зеленой (с длиной волны λ=0.532 мкм) и синей (с длиной волны λ=0.473 мкм) области спектра, осуществляется при подаче напряжения с генератора (1) на вход пьезодвигателей (13), соединенных с "глухими" зеркалами резонатора двух твердотельных лазеров (4) и (5); выходные пучки лазеров вводятся в модуляторы интенсивности лазерного излучения (6), на электрический вход которых поступает информационный телевизионный видеосигнал; лазерное излучение, прошедшее модуляторы, вводится с помощью микролинз (7) в волоконно-оптический смеситель (8), оптически соединенный с формирователем спеклов (9), представляющий собой многомодовое оптическое волокно длиной L, которая определяется из соотношения

где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна,

Δν_min - минимальная девиация частоты излучения лазеров.

С помощью объектива (10) выходное излучение, прошедшее оптическое волокно, вводится в двумерную сканирующую систему (11), а на экране (12) отображается выходной торец волокна с минимальным размером фокального пятна, полученное изображение наблюдается глазом человека (14).

Способ осуществляется следующим образом с помощью устройства, приведенного на фиг.2.

При подаче пилообразного напряжения с генератора (1) с периодом, меньшим, чем быстродействие глаза человека, и амплитудой, вызывающей перестройку частоты излучения полупроводникового инжекционного лазера (3) на величину девиации частоты Δν_R при модуляции тока инжекции с соответствующим периодом. Частоту излучения твердотельных лазеров (4) и (5), излучающих в зеленой и синей областях видимого спектра, перестраивают с величиной девиации Δν_G и Δν_B соответственно изменением длины резонатора при подаче напряжения на пьезодвигатели с укрепленными на них зеркалами резонатора (13). Лазерные пучки каждого из лазеров просвечивают соответственно три модулятора интенсивности лазерного излучения (6), на электрический вход которых поступает телевизионный видео-сигнал. Лазерное излучение с помощью микролинз (7) вводится в волоконно-оптический смеситель (8), оптически соединенный с формирователем пространственно-временной спекл-структуры (9), с выхода которого излучение отображается и фокусируется на рассеивающем экране (12) с минимальным размером фокального пятна и разворачивается в двумерную картину с помощью сканера (11). Если величина девиации при перестройке частоты излучения лазеров удовлетворяет соотношению (4), то спекл - картина на выходном излучении многомодового волокна становится динамической, вследствие изменения условий интерференции волноводных мод, а период пространственной модуляции этой спекл-картины задается генератором (1). При периоде модуляции, меньшем быстродействия глаза человека, наблюдаемая спекл-картина усредняется и контрастность пространственной спекл-структуры снижается до минимального уровня при соответствующего некогерентным источникам излучения.

Экспериментально нами было установлено (Акчурин Г.Г., Акчурин А Г. // Письма в ЖТФ. 2004, т.30, №12, с.56-62), что, если девиация частоты излучения лазера больше обратной величины временной задержки волн, распространяющихся в формирователе спеклов, в качестве которого используется межмодовое волокно (в котором временная задержка волноводных мод пропорциональна длине волокна и определяется величиной межмодовой дисперсии), в выходном излучении световода наблюдается динамическая спекл-структура, которая возникает вследствие интерференции волноводных мод волокна. Если же девиация частоты изменяется периодически, причем период изменения меньше, чем быстродействие глаза человека, то вследствие движения спеклов со скоростью, большей, чем возможность их распознавания сетчаткой глаза человека, происходит усреднение наблюдаемой спекл-картины и контрастность спеклов пропадает. Если девиация частоты лазера равна 0, то спекл-структура на выходе волокна неподвижна и, таким образом, контрастность спеклов максимальна и может достигать единицы.

Для доказательства работоспособности способа подавления лазерных спеклов на фиг.3, 4 представлены результаты экспериментальных тестовых измерений.

Основной механизм наблюдаемого эффекта динамики спеклов при перестройке частоты лазера в оптических волокнах возможно интерпретировать на основе волнового анализа распространения одночастотного лазерного излучения в ступенчатых многомодовых световодах, в представлении линейно-поляризованных LPnm-мод (Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. М.: Радио и связь, 1987).

Фазовая задержка β_nmL при распространении волноводных LPnm мод через волокно длиной L с продольной постоянной β_nm определяется из соотношения

где: u_nm-поперечные константы распространения для центральной жилы ступенчатого волокна с показателем преломления - n_со и радиусом - а, λ - длина волны зондирующего лазерного излучения.

При перестройке длины волны лазера Δλ (и, соответственно, частоты излучения Δν) изменение фазы каждой из LPnm мод, которые распространяются по волокну, в случае если возбуждаемые волноводные моды далеки от отсечки u_nm≪V=(2πa/λ)(n_co ²-n_cl ²)^1/2, можно определить из соотношения (Акчурин Г.Г., Акчурин А.Г. //Письма в ЖТФ. 2004. Т.30, №12. С.56-62)

Таким образом, межмодовая дисперсия волокна при его фиксированной длине, определяющая фазовые задержки возбуждаемых волноводных мод, становится связанной со степенью перестройки спекл-поля на выходе волокна (образующейся за счет интерференции мод), вызванной изменением частоты генерации зондирующего лазерного излучения. Проведенные детальные экспериментальные исследования для одночастотного He-Ne лазера (λ=633 нм) позволили установить, что существует взаимо-однозначное соответствие между абсолютным значением зондирующей лазерной частоты и поперечной структурой спекл-поля на выходе волокна.

Проведенные эксперименты на многомодовых оптических волокнах различной длины показали, что величина поперечной перестройки спекл-поля излучения, прошедшего световод, связанная со средней дифференциальной фазовой задержкой волноводных мод и оцениваемая через двумерный коэффициент корреляции, пропорциональна величине изменения частотной расстройки зондирующего излучения Δν. Известно, что для таких типичных многомодовых волокон (D=50 мкм и NA=0.2) характерная величина межмодовой дисперсии, измеряемая с помощью лазерных импульсных или модуляционных методов, ограничивает информационную полосу пропускания и составляет величину порядка 30 МГц/км. Результаты измерений спекл-структуры для двух значений частотной расстройке 330 МГц при фиксированной длине многомодового волокна (100 метров) представлены на фиг.5. и фиг.6.

Для используемого полупроводникового лазера видимого диапазона типичная величина девиации частоты, вызванная изменением тока инжекции, составляет 10 ГГц/ мА, поэтому для типичного многомодового оптического волокна с дисперсией 30 МГц/км для получения подавления спеклов достаточно в соответствии с соотношением L=k/Δν использовать длину оптического волокна длиной 3 метра при амплитуде модуляции тока инжекции 1 мА, что практически не вызывает модуляции выходной мощности лазера, а только девиацию частоты, вызывающей эффект подавления спеклов.

Девиация частоты в твердотельных YAG:Nd микро лазерах с диодной накачкой и внутрирезонаторным генератором второй гармоники с выходным оптическим излучением на длине волны λ=0.534 мкм и λ=0.473 мкм осуществляется за счет модуляции длины резонатора при подаче напряжения на пьезопластины (13) с укрепленными зеркалами резонатора, представляющие пьезодвигатели зеркал резонатора. Для микролазеров с длиной резонатора лазера порядка 1 мм возможно достижение девиации частоты порядка 150 ГГц при изменении длины резонатора на полдлины волны, т.е. на менее 0.3 микрон, что и осуществляется с помощью пьезодвигателями с укрепленными зеркалами резонатора. Ширина линии усиления таких твердотельных лазеров превышает сотни гигагерц, поэтому изменение в десятки гигагерц не приводит к амплитудной модуляции излучения лазеров.

Известно, что величина дисперсии многомодового оптического волокна, определяющая среднее время задержки волноводных мод при распространении лазерного излучения в волокне, прямо пропорциональна его длине. Увеличение внутреннего диаметра и числовой апертуры волокна, по которому распространяется оптическое излучение, приводит к росту временной задержки. Эффективность временной задержки определяется также профилем показателя преломления внутренней оболочки оптического волокна, при этом максимальная задержка соответствует ступенчатому профилю показателя преломления жилы и оболочки волокна, что и используется в нашем устройстве.

Эффективность подавления спекл-структуры пропорциональна числу возбуждаемых мод М, которые определяются из соотношения

где:

D - диаметр внутренний оболочки волокна,

NA=n·(2Δ)^1/2 - числовая апертура волокна,

Δ=(n-n₀)/n - относительная разность коэффициентов преломления внутренней оболочки n и внешней n₀ оболочки волокна.

Для типичного оптического многомодового волокна (D=50 мкм и NA=0.2) характерная величина межмодовой дисперсии, определяющая информационную полосу пропускания, составляет величину порядка 30 МГц/км, при этом число возбуждаемых волноводных мод для видимой области превышает 1200 и, соотвестственно, размеры спеклов на экране будут уменьшены в соответствующее число раз по сравнению с лазерным пучком. При использовании формирователя движущихся спеклов многомодового волокна с длиной несколько метров потери, связанные с поглощением видимого излучения в оптическом волокне, не превысят 0.1 dB, а размер излучающей области определяется внутренним диаметром волокна (D=50 мкм), и при числовой апертуре фокусирующего объектива (10), большей числовой апертуры волокна, не произойдет потерь оптической мощности в отличие от использования случайного фазового экрана в прототипе. Кроме того, в предлагаемом устройстве формирователя движущихся спеклов отсутствуют устройства механического сканирования случайной фазовой пластины, что повышает долговечность и энергоемкость устройства подавления спеклов.

Claims (3)

1. Способ подавления лазерных спеклов в оптических сканирующих дисплеях, включающий пропускание лазерного пучка через формирователь пространственно-временных спеклов, отображение и фокусировку с помощью оптической системы лазерного излучения на выходе формирователя в минимальное фокальное пятно на экране, отличающийся тем, что в качестве формирователя используют многомодовое волокно, перестраивают частоту излучения лазера с периодичностью, меньшей, чем быстродействие глаза человека, а величину девиации при перестройке частоты излучения лазера выбирают из соотношения

Δv>1/Δτ,

где Δv - девиация частоты излучения лазера;

Δτ - величина временной задержки излучения в формирователе.

2. Устройство для подавления спеклов в оптических сканирующих дисплеях, содержащее лазер, формирователь пространственно-временных спеклов, отличающееся тем, что лазер выполнен с возможностью перестройки частоты, формирователь представляет собой многомодовое волокно, длина L которого определяется из соотношения

L=k·Δτ,

где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна;

Δτ - величина временной задержки излучения в формирователе.

3. Устройство для подавления спеклов в оптических сканирующих дисплеях, содержащее полупроводниковый лазер, излучающий красный свет, формирователь пространственно-временных спеклов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит два твердотельных лазера, излучающих зеленый и синий свет соответственно, одно из зеркал резонатора каждого из которых закреплено на устройстве перестройки длины резонатора лазера, генератор пилообразного напряжения для перестройки частоты лазеров, подключенный к полупроводниковому лазеру и устройству перестройки длины резонатора лазеров, три модулятора интенсивности света, оптически связанные с лазерами и имеющие электрический вход для подачи телевизионного сигнала, оптический выход которых соединен с волоконно-оптическим смесителем, соединенным с формирователем пространственно-временных спеклов в виде многомодового волокна, длина L которого определяется из соотношения

L=k/Δv_min,

где k - коэффициент, определяющий дисперсию многомодового волокна;

Δv_min - минимальная девиация частоты излучения лазеров.

Images