Устройство подавления спеклов - RU2304297C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройствам управления визуальными индикаторами, в частности к устройствам подавления спеклов, и может быть использовано в лазерных системах отображения и обработки оптической информации.

Существуют различные устройства подавления спеклов, которые используют в лазерных системах отображения и обработки оптической информации. Как правило, лазерная система отображения и обработки оптической информации включает в себя следующие части: источник света, который выполнен в виде лазера, испускающего поляризованное излучение, систему формирования изображения, которая содержит линзы, пространственно-временные модуляторы света (далее ПВМС), световые затворы, дефлекторы, поляризаторы и другие оптические элементы, а также драйверы ПВМС и экран, на поверхность которого проецируют изображение.

Одной из проблем, которая ухудшает качество изображения на экране, является спекл-структура, вызванная интерференцией света диффузно отраженного от поверхности элементов лазерного устройства отображения и обработки оптической информации.

Для подавления спекл-структуры предложены различные способы изменения пространственно-временной когерентности лазерного пучка света. Эти способы обычно включают в себя усреднение размеров и вариацию положения спекла, формирование оптической разности фаз спеклов, возникающих в одном и том же месте, но в разные моменты времени. Обычно временная задержка между разными лучами света превосходит время когерентности источника света, необходимое для подавления эффекта интерференции. Эти меры приводят к усреднению интенсивности спекла по площади экрана в разные моменты времени и, соответственно, к уменьшению контраста спекла

Известны различные подходы к решению проблемы минимизации спекл-структур.

В патенте США №5517263 [1] описана компактная проекционная система, которая содержит яркий источник поляризованного света, и пространственный модулятор света (ПВМС), который имеет ориентирующий слой для модуляции поляризованного проецируемого света, причем поляризация источника яркого поляризованного света согласована с направлением ориентации слоя таким образом, чтобы обеспечить распространение поляризованного света без его прохождения через поглощающие свет поляризаторы. Использование поляризованного лазерного источника совместно с точно подобранным световым затвором позволяет в значительной мере использовать ПВМС для формирования проецированного изображения. Таким образом, потери интенсивности в лазерной оптической системе уменьшают без использования фильтров и/или поляризаторов совместно со световым затвором. Недостатком данной проекционной системы является отсутствие возможности уменьшения контраста спекла при использовании лазера в качестве источника света.

В патенте США №6445487 [2] описана система и способ уменьшения или подавления интенсивности распределения спеклов в лазерном устройстве отображения и обработки оптической информации. В одном из вариантов изобретения радиочастотный сигнал направляют в полупроводниковый лазерный источник света проекционной системы для создания различных спекл-структур, которые смешивают в плоскости проекции. В других вариантах изобретения поступают следующим образом: используют оптическую обратную связь, чтобы вызвать в лазерном источнике света проекционной системы появление спекл-структур, которые смешивают в плоскости проекции; смещают длину волны лазерного источника света за счет эффекта Доплера для получения разных спекл-структур; используют отклоняющие средства для смещения непосредственно луча, чтобы уменьшить различимые спеклы. Так как глаз очень чувствителен к горизонтальным и вертикальным краям, но менее чувствителен к краям, расположенным под промежуточным углом, движение луча примерно под 45 градусов может уменьшить потери в ПВМС в вертикальном и горизонтальном направлениях. Недостатком данной системы уменьшения или подавления спеклов в лазерном устройстве является необходимость использования акустооптического модулятора света, имеющего большой продольный размер и сложную схему управления.

В патенте США №5272473 [3] описан экран дисплея, который в качестве устройства подавления спеклов содержит преобразователь, который генерирует поверхностные акустические волны (ПАВ), бегущие по плоскости экрана. Это приводит к уменьшению видимых лазерных спеклов из-за периодического изменения направления лазерного пучка света, отраженного от разных точек экрана. Недостатком рассматриваемого устройства является необходимость использования специального материала для поверхности экрана, что с учетом размера диагонали экрана от нескольких десятков сантиметров до метра и более существенно повышает его стоимость.

В патенте США №6122023 [4] приводят лазерный проекционный дисплей, изготовленный из жидкокристаллического материала (далее ЖКМ), для генерации изображения высокого разрешения без спеклов. Экран проекционного дисплея содержит ЖКМ, который выполнен с возможностью сильного рассеяния света в отсутствие поданного напряжения. Когда высокочастотный низковольтный сигнал подают на экран ЖК дисплея, локальная ориентация ЖК внутри ЖКМ вибрирует с частотой выше 60 Гц, что приводит к быстрому изменению спекл-структуры, при котором глаз не видит спеклов. Недостатком данного дисплея является необходимость создания экрана, содержащего ЖКМ и имеющего большую площадь (около 1 м по диагонали и более), что приводит к значительному увеличению стоимости экрана, увеличению требований к однородности оптических и электрооптических характеристик экрана, значительному увеличению энергопотребления экрана при работе проекционного дисплея. Кроме того, при рассеянии света на диспергированном ЖКМ происходят потери света.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для преобразования пространственной когерентности излучения моноимпульсного лазера, описанное в работе Е.Ivakin et al. Transformation of the special coherence of pulsed laser radiation in a delay time. Quantum Electronics, v.33, No.3, pp.255-258 (2003) [5]. Устройство содержит два расположенных последовательно эталона с нанесенными на их поверхности входными и выходными зеркалами. Отражательная способность входных зеркал на определенной длине волны излучения близка к единице, а отражательная способность выходных зеркал меняется ступенчато, в результате чего интенсивности последовательно расположенных выходящих пучков оказываются равными. Лазерное излучение направляют в первый эталон под малым углом к его оси, чтобы получить набор Р₁ параллельных лучей света, пространственно разделенных вдоль горизонтальной оси. Данный набор лучей затем входит во второй эталон, который разделяет их в направлении вертикальной оси. Прямоугольная матрица лучей света, которые имеют временную задержку относительно друг друга, формируется на выходе второго эталона. Время задержки в первом эталоне определяется размером участков со ступенчато меняющейся отражательной способностью выходных зеркал, на которые разделяется эталон. Этот размер равен половине длины когерентности лазерного излучения или более. Соответствующий размер у второго эталона в P₁ раз больше разбивки L₁ первого эталона: L₂≈P₁L₁. Лучи света, выходящие из второго эталона направляют линзой на стационарный модулятор случайных фаз. Вместо модулятора случайных фаз отдельные лучи могут быть объединены в многомодовом оптическом волокне (в этом случае отношение спекл-шум может быть дополнительно уменьшено) или в пучке оптических волокон. Контраст результирующей спекл-структуры будет уменьшаться с увеличением числа отдельных лучей. Данное устройство выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является необходимость использования эталонов с высоким качеством поверхности и сложным распределением коэффициента отражения по их апертуре. Кроме того, при переотражениях света между поверхностями эталонов происходит его потеря, поэтому интенсивность света за модулятором случайных фаз меньше интенсивности исходного пучка перед первым эталоном.

Таким образом, устройства, в которых применяют акустические или акусто-оптические модуляторы для подавления спеклов имеют следующие недостатки:

- большие габариты, за счет большой величины кристаллов в модуляторах (несколько миллиметров),

- сложность управления из-за необходимости в сложном управлении пространственными модуляторами,

- недостаточная надежность из-за наличия механического смещения частей устройства в процессе его работы,

- высокая себестоимость.

Недостатки других перечисленных выше аналогов заявляемого устройства подавления спеклов заключаются в:

- большом количестве рабочего материала, обусловленном большим размером экрана, в котором применяется ЖК или ПАВ-материал;

- высоких требованиях к поверхности рабочего элемента;

- потере света;

- высокой стоимости изготовления.

Задачей заявленного изобретения является создание устройства подавления спеклов, которое обладает повышенной надежностью, уменьшенными габаритами, увеличенной яркостью изображения на экране и низкой себестоимостью изготовления.

Технический результат достигается за счет создания устройства подавления спеклов, которое содержит драйвер управления и соединенный с ним пространственный фазовый модулятор, который содержит выполненные в виде слоев первую и вторую подложки, расположенные напротив друг друга, модулирующую среду, расположенную между первой и второй подложками, а также два ориентирующих слоя, каждый из которых расположен между модулирующей средой и соответствующей подложкой, кроме того, первая подложка содержит вертикальные фигурные прозрачные электроды на ближайшей к модулирующей среде поверхности подложки, а вторая подложка содержит горизонтальные фигурные прозрачные электроды и электронные элементы управления коэффициентом преломления модулирующей среды на ближайшей к модулирующей среде поверхности подложки, причем пространственный фазовый модулятор разделен на пиксели и каждый пиксель находится в области пересечения вертикальных и горизонтальных электродов, при этом выходы драйвера управления соединены с электродами и электронными элементами управления коэффициентом преломления модулирующей среды пространственного фазового модулятора, причем драйвер управления выполнен с возможностью генерации выходных сигналов и подачи их на электроды и элементы управления, при этом происходит формирование произвольного случайного поля величин фазовой задержки в пикселях пространственного фазового модулятора за счет изменения пространственного и временного изменения случайного поля коэффициента преломления модулирующей среды.

Для функционирования устройства важно, чтобы элементы управления были выполнены из элементов, выбранных из группы, включающей в себя тонкопленочные транзисторы и диоды.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из материала, выбранного из группы, включающей в себя твердый монокристалл и полидоменный кристалл, в котором проявляется эффект Поккельса.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией и однородной планарной ориентацией директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из нематического жидкого кристалла с положительной диэлектрической анизотропией и ориентацией, выбранной из группы, включающей в себя планарную твист- и супертвист-ориентации директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из нематического жидкого кристалла с отрицательной диэлектрической анизотропией и вертикальной ориентацией директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из нематического жидкого кристалла с анизотропией, выбранной из группы, включающей в себя положительную и отрицательную диэлектрическую анизотропию, который имеет гибридную ориентацию директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из материала, выбранного из группы, включающей в себя сегнетоэлектрический и антисегнетоэлектрический жидкий кристалл с гомогенной планарной ориентацией директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из материала, выбранного из группы, включающей в себя сегнетоэлектрический и антисегнетоэлектрический жидкий кристалла с вертикальной ориентацией директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы модулирующая среда была выполнена из сегнетоэлектрического жидкого кристалла в смектической А фазе с гомогенной планарной ориентацией директора жидкого кристалла между первой подложкой и второй подложкой.

Для функционирования устройства важно, чтобы пространственно-временное изменение случайного поля величин фазовой задержки включало в себя вращение, выбранное из группы, содержащей периодическое и апериодическое вращение случайного поля величин фазовой задержки в пикселях пространственного фазового модулятора.

Для функционирования устройства важно, чтобы пространственно-временное изменение случайного поля величин фазовой задержки включало в себя сдвиг случайного поля величин фазовой задержки, выбранный из списка, состоящего из периодического, непериодического горизонтального, вертикального, а также горизонтального и вертикального сдвига случайного поля величин фазовой задержки в пикселях пространственного фазового модулятора.

Таким образом, заявляемое решение обеспечивает повышение надежности, уменьшение габаритов, увеличение яркости и снижение себестоимости изготовления за счет применения прозрачного пространственного фазового модулятора уменьшенных размеров, основанного на электрооптическом эффекте в монокристалле или жидкокристаллической среде с коэффициентом преломления, меняющимся под действием приложенного электрического сигнала, и устройства управления модулятором (драйвера управления), которое управляет фазовой задержкой луча света, проходящего через пространственный фазовый модулятор, в соответствии с заданным правилом, а также применения способа адресации органов управления устройства из модуляционного драйвера, включающего в себя формирование случайного поля величин фазовой задержки в пикселях пространственного фазового модулятора и пространственного и временного изменения случайного поля в соответствии с заданным правилом.

Для лучшего понимания настоящего изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 Схема устройства подавления спеклов, выполненного согласно изобретению.

Фиг.2 Схема пикселя пространственного фазового модулятора с нематическим жидким кристаллом (НЖК) в качестве рабочей среды, выполненная согласно изобретению.

Фиг.3 Поле значений фазовой задержки δ в матричном фазовом модуляторе: (3.1) начальные значения, (3.2) значения после сдвига на одну строку вверх.

Фиг.4 Схема лазерной системы отображения информации, в состав которой входит устройство подавления спеклов, выполненное согласно изобретению.

Структура устройства подавления спеклов показана на Фиг.1. Устройство управления спеклов включает в себя драйвер 1 управления и пространственный фазовый модулятор 2, который содержит выполненные в виде слоев первую подложку 3 и вторую подложку 4, расположенные напротив друг друга, модулирующую среду 5, расположенную между первой и второй подложками, а также два ориентирующих слоя 6 и 7, каждый из которых расположен между модулирующей средой 5 и соответствующей подложкой. Первая подложка 3 на внутренней, т.е. ближайшей к модулирующей среде 5, поверхности содержит вертикальные фигурные прозрачные электроды 8, а вторая подложка 4 на внутренней поверхности содержит горизонтальные фигурные прозрачные электроды 9 и электронные элементы управления коэффициентом преломления модулирующей среды, при этом выходы драйвера 1 управления соединены с электродами 8, 9 и электронными элементами управления коэффициентом преломления модулирующей среды пространственного фазового модулятора 2.

Выход драйвера 1 управления соединен с вертикальными 8 и горизонтальными 9 фигурными прозрачными электродами и элементами управления пространственного фазового модулятора. Драйвер 1 управления генерирует выходные сигналы, контролирующие фазовую задержку пучка 10 лазерного света, проходящего через пространственный фазовый модулятор 2 в соответствии с заданным правилом.

Модулирующая среда 5 с коэффициентом преломления, изменяемым под воздействием приложенного электрического сигнала драйвера 1 управления, может быть выполнена в виде монокристалла или жидкого кристалла. В твердом монокристалле или полидоменном кристалле зависимость изменения коэффициента преломления от приложенного к кристаллу напряжения известна как линейный или квадратичный Поккельс-эффект. В нематическом жидком кристалле (далее НЖК) с положительной диэлектрической анизотропией и однородной планарной ориентацией директора жидкого кристалла зависимость изменения коэффициента преломления под воздействием напряжения, приложенного к НЖК, известна как электрически управляемое двулучепреломление (далее ЭУД) или переход Фредерикса или S-эффект. В нематическом жидком кристалле с положительной диэлектрической анизотропией и планарной твист- или супертвист-ориентацией директора жидкого кристалла зависимость изменения коэффициента преломления от приложенного к НЖК напряжения известна как твист-эффект (далее ТЭ или TN) или супертвист-эффект (STN). В нематическом жидком кристалле с отрицательной диэлектрической анизотропией и вертикальной (гомеотропной) ориентацией директора жидкого кристалла зависимость изменения коэффициента преломления от приложенного к НЖК напряжения известна как эффект в вертикально ориентированном нематике (ВОН) или В-эффект. В сегнетоэлектрическом или антисегнетоэлектрическом жидком кристалле (далее СЖК и АСЖК соответственно) с гомогенной планарной ориентацией директора жидкого кристалла зависимость изменения коэффициента преломления от приложенного к СЖК или АСЖК напряжения известна как поверхностно-стабилизированный режим (эффект Кларка-Лагерваля или SSFLC) или режим деформированной спирали в сегнетоэлектриках (далее ДСС или DHF) или V-образный режим. В смектической А фазе сегнетоэлектрических жидких кристаллов с гомогенной планарной ориентацией директора жидкого кристалла зависимость изменения коэффициента преломления от приложенного к СЖК напряжения известна как электроклинный эффект.

Поверхность пространственного фазового модулятора 2 разделена на пиксели. Размер пикселя, т.е. элемента разрешения, пространственного фазового модулятора определяется размерами области пересечения электродов строки и столбца для пассивно управляемых модуляторов или размером области, управляемой элементом управления, например, тонкопленочным транзистором или диодом, для активноматричных управляемых модуляторов. Структура пикселя пространственного фазового модулятора 2 с нематическим жидким кристаллом (НЖК) в качестве модулирующей среды 5 показана на Фиг.2. Внутренние поверхности подложек 3 и 4 покрыты фигурными прозрачными электродами 8 и 9 соответственно. Ориентирующие слои 6 и 7, нанесенные на фигурные прозрачные электроды 8 и 9 соответственно, задают тип ориентации НЖК. Драйвер 1 управления, соединенный с фигурными прозрачными электродами 8 и 9 соответственно, генерирует электрический сигнал, который переориентирует директор жидкого кристалла (далее ЖК) модулирующей среды 5, если электрическое напряжение выше, чем пороговая величина напряжения электрооптического эффекта U_th. Изменение показателя преломления ЖК приводит к фазовой модуляции луча света. Для данного пространственного фазового модулятора не требуются поляризаторы.

Наиболее глубокая модуляция коэффициента преломления как для твердого, так и для жидкого кристаллов возникает в случае, когда поляризация лазера параллельна главной оси кристалла. Для ненулевых значений угла между поляризацией лазерного излучения и главной осью кристалла, возникает дополнительная фазово-поляризационная модуляция лазерного луча. Для НЖК фазовая модуляция δ пропорциональна изменению коэффициента преломления ЖК δn, толщине ЖК слоя L и обратно пропорциональна длине волны лазерного луча λ (δ=2πδ nL/λ). Значение фазовой модуляции от нуля до одной волны легко может быть достигнуто как в жидком, так и в твердом кристаллах.

На Фиг.3 показаны предварительно установленные значения величин фазовой задержки δ_ij в матричном пространственном фазовом модуляторе. Случайное неоднородное поле δ_ij задается драйвером модулятора. Предварительное установление поля δ_ij с определенным временным и пространственным разрешением может приводить к смешиванию спекл-структуры из-за малого отклонения направления распространения лазерного луча или фазы или поляризации и, следовательно, к новому распределению спеклов на диффузном экране. Например, пространственный фазовый модулятор может выступать в качестве диффузора - элемента, который обычно смещается периодически пьезоэлектрическим преобразователем для подавления спекла. Это достигается путем смещения заданного поля δ_ij в вертикальном или горизонтальном направлении на произвольное число рядов или столбцов (Фиг.3.2). Заданное поле также может вращаться периодически или не периодически без использования каких-либо механических элементов.

Наиболее простым вариантом применения изобретения является использование стандартной коммерческой пассивной или активной матрицы ЖК дисплея с твист-эффектом в качестве электрооптического эффекта. Поляризационная и компенсационная пленки при этом должны быть сняты с ЖК дисплея. Его пространственное разрешение примерно соответствует пространственному разрешению изображения, задаваемому системой формирования изображения. Для более глубокой фазовой модуляции направление НЖК директора на первой подложке такого дисплея должно быть повернуто на 45 градусов по отношению к направлению поляризации лазерного луча. Данное устройство имеет показатель частоты кадров 100 кадров в секунду. Некоторые ЖК мониторы имеют показатель частоты кадров до 200 Гц.

Самая глубокая фазовая модуляция возникает при использовании пространственного фазового модулятора в электрооптическом ЭУД-эффекте. Поляризация лазера параллельна главной оси жидкого кристалла. Чем больше двулучепреломление НЖК, тем выше фазовая модуляция. Обычно ЖК монитор имеет толщину ЖК слоя около 4 мкм. При двулучепреломлении Δn=0.15 фазовая задержка δ ˜2π, что удовлетворительно для заявленного изобретения.

Более высокая скорость электрооптического отклика ЖК достигается путем использования модулятора с СЖК или АСЖК.

Наименьшее время переключения электрооптического отклика (10-1000 нс) достигается в твердых монокристаллах с эффектом Поккельса и смектических А жидких кристаллах с электроклинным эффектом. Это время по величине наиболее близко ко времени когерентности луча света.

Периодическое смещение случайно неоднородного поля δ_ij пространственного фазового модулятора на один ряд или столбец соответствует вибрации диффузера менее 100 Гц в существующих устройствах подавления спеклов. Если величина смещения возрастает, частота периодических вибраций поля или задержки фазы уменьшается за счет числа смещаемых рядов и столбцов. Для подавления спеклов типичный сдвиг не превышает 5-10 рядов или столбцов. Периодическое или не периодическое вращение поля величин фазовой задержки пространственного фазового модулятора может происходить с угловой скоростью 10-20 Гц, если весь цикл вращения изображения состоит из 5-10 промежуточных кадров.

На Фиг.4 показана схема лазерной системы отображения информации, в состав которой входит устройство подавления спеклов, выполненное согласно изобретению. Система подавления спеклов содержит лазер 11, систему формирования изображения 12, которая может содержать линзы, пространственно-временные модуляторы света (ПВМС), световые затворы, дефлекторы, поляризаторы и другие оптические элементы, а также заявленное устройство 2 подавления спеклов с драйвером управления (не показан) и экран 13.

Лазер 11 излучает пучок света, который входит в систему 12 формирования изображения. Система 12 формирования изображения может содержать линзы, пространственно-временной модулятор света (ПВМС) с драйвером ПВМС, который формирует расширенный пучок света с двумерным распределением интенсивности. Такое двумерное распределение интенсивности также может быть сформировано системой 12 формирования изображения, которая может содержать акусто- или электрооптический модулятор интенсивности пучка света и отклоняющую растровую систему (не показана на Фиг.4). Система 12 формирования изображения также может содержать световые затворы, дефлекторы, поляризаторы и другие оптические компоненты, которые необходимы для формирования двумерной картины.

Расширенный пучок света с двумерным распределением интенсивности проходит через пространственный фазовый модулятор устройства 2 подавления спеклов, при этом фаза пучка света претерпевает двумерную модуляцию в каждом пикселе модулятора в соответствии с заданным правилом.

Заявленное устройство обеспечивает уменьшение как пространственной, так и временной когерентности. Оно также обеспечивает деполяризацию пятна на экране. Эти факторы приводят к подавлению спеклов.

Заявленное устройство не требует механического перемещения его элементов, что повышает его надежность. По сравнению с существующими электромеханическими устройствами для подавления спеклов оно позволяет генерировать произвольное двумерное распределение фазовой задержки. Оно более гибкое и адаптировано для подавления случайных спекл-структур. По сравнению с существующими устройствами, основанными на акустооптической модуляции, предложенный пространственно-временной модулятор имеет очень малую толщину (1-2 мм и менее вместо 5-15 мм в устройствах аналогов) и небольшой пространственный размер (до 10×10 см).

Заявленное устройство легко и дешево в изготовлении, кроме того, оно не уменьшает яркость изображения на экране, поскольку пространственный фазовый модулятор прозрачен и не содержит поляризационных элементов.

Указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, поэтому специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к оптике. Устройство, содержащее драйвер управления и соединенный с ним пространственный фазовый модулятор, который содержит модулирующую среду, вертикальные и горизонтальные фигурные прозрачные электроды и электронные элементы управления коэффициентом преломления модулирующей среды. Пространственный фазовый модулятор разделен на пиксели и каждый пиксель находится в области пересечения вертикальных и горизонтальных электродов, при этом происходит формирование произвольного случайного поля величин фазовой задержки в пикселях пространственного фазового модулятора за счет изменения пространственного и временного изменения случайного поля коэффициента преломления модулирующей среды. Технический результат - повышение надежности работы устройства, уменьшение габаритов, увеличение яркости изображения информации на экране. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула