ЛАЗЕРНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК G02F1/00 G02B27/48 

Область техники

Изобретение относится к модуляции света методами управления интенсивностью и фазовыми характеристиками светового потока, и может найти применение для лазерных источников света общего назначения, в том числе для разрушения пространственной и временной когерентности, подавления спекла и в ряде других специальных применений, в оптико-механической промышленности, телевидении, печати, средствах связи, световолоконных коммутирующих и фильтрующих устройствах, быстродействующих строчных и матричных принтерах и других областях техники.

Уровень техники

Известен лазерный осветитель, содержащий вращающийся диффузор, шаговый мотор с колебательным движением и устройство управления [Akio Furukawa, NorihiroOhse, Yoshifumi Sato, Daisuke Imanishi, Kazuya Wakabayashi, Satoshi Ito, KoshiTamamura and Shoji Hirata, "Effective speckle reduction in laser projection displays", Proc. of SPIE Vol. 6911, 69110Т, (2008)].

Недостатком этого устройства является применение движущихся частей, большие габариты и потери света при подавлении спекла.

Известен также лазерный осветитель, содержащий вращающийся жгут оптоволокна, двигатель для вращения световолоконного жгута и устройство управления. Недостатком этого устройства является низкий уровень подавления спекла, большие потери в световом потоке лазерного излучения. [Mingjie Sun, Zukang Lu, "Speckle suppression with a rotating light pipe", Optical Engineering 49(2), 024202, 2010]. Известен лазерный осветитель, содержащий фазовую пластинку, представляющую собой фазовый дифракционный оптический элемент, на котором нанесены различные последовательности шумовых кодов, например, код Баркера, причем каждый оптический элемент сдвигает набег фазы света на ±π. [Victor Yurlov, Anatoly Lapchuk, Sangkyeong Yun, Jonghyeong Song and Haengseok Yang, "Speckle suppression in scanning laser display", Appl. Opt. Vol. 47, No. 2, (2008)]. Основной недостаток этого устройства - низкое подавление контраста спекла и невозможность использования перемещения фазового дифракционного рисунка, впечатанного в фазовую пластину.

Наиболее близким изобретением является лазерный осветитель, содержащий модулятор и устройство управления, причем модулятор содержит нанесенные на первую прозрачную подложку прозрачный электропроводящий слой, покрытый прозрачным гелеобразным слоем, и систему из i штук параллельных ленточных электродов заземления и управления. (Патент №2577802, Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК⁷: G02F 1/00). Недостатком известного устройства является линейная структура электродов и невозможность непрерывного подавления спекла.

Техническая задача и технический результат

Задачей настоящего изобретения является снижение шумов формируемого распределения излучения путем пространственного подавления спеклов. Техническим результатом является также расширение сферы применения лазерного осветителя.

Решение

Поставленная задача решается с помощью лазерного осветителя, который содержит последовательно расположенные на оптической оси по крайней мере один когерентный источник света, осветительный объектив, модулятор, Фурье-объектив, фазовый фильтр, выходной объектив, при этом фазовый фильтр помещен в фокусе Фурье-объектива и перекрывает световой поток лазерного излучения в нулевом порядке, причем модулятор содержит первую диэлектрическую прозрачную подложку с прозрачным электропроводящим слоем, покрытым прозрачным гелеобразным слоем на одной стороне, и вторую диэлектрическую прозрачную подложку с массивом прозрачных электродов на одной стороне, причем подложки расположены таким образом, что между гелеобразным слоем и электродами образуют зазор. При этом каждый электрод соединен электрически с устройством управления, которое содержит тактовый генератор, задающий последовательность импульсов напряжений на каждом электроде с возможностью сдвига напряжения на электродах на один и более такт. Подбирается четное число электродов более двух, и топология электродов покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки, при этом все электроды электрически изолированы друг от друга, а последовательность импульсов напряжений от выходов устройства управления на входы прозрачных электродов подается по заданному закону в зависимости от количества прозрачных электродов. Фазовый фильтр выполнен в виде зеркала, и на оптической оси введена призма полного внутреннего отражения, оптически контактирующая с первой прозрачной диэлектрической подложкой.

Для реализации устройства предлагается способ подавления спеклов в лазерных осветителях, отличающийся тем, что последовательно направляют свет от когерентного источника на объектив, модулятор, фурье-объектив, фазовый фильтр, размещенный в области фокуса фурье-объектива, выходной объектив, при этом на модулятор, содержащий первую диэлектрическую прозрачную подложку с прозрачным электропроводящим слоем, покрытым прозрачным гелеобразным слоем на одной стороне, вторую диэлектрическую прозрачную подложку с массивом покрывающих световую апертуру прозрачных электродов на одной стороне, подают импульсы напряжений для рассогласования фазы светового потока.

Описание чертежей

На Фиг. 1 показана общая схема лазерного осветителя.

На Фиг. 2 показана конструкция модулятора.

На Фиг. 3 показана схема устройства управления с n электрическими выходами.

На Фиг. 4 показаны два примера (А) и (В) топологии системы n прозрачных (непрозрачных) электродов различной конфигурации.

На Фиг. 5 показан пример системы электрических напряжений на входных электродах 1-м, 2-м, 3-м, 4-м … n-м для создания бегущей непрерывной волны на свободной поверхности гелеобразного слоя; (а), (в) и (с) - примеры сдвига по фазе на один такт.

На Фиг. 6 показана общая схема лазерного осветителя с введенной в оптический канал призмой полного внутреннего отражения.

Детальное описание решения

Лазерный осветитель (Фиг. 1, 2, 3, 4, 5) содержит последовательно расположенные на оптической оси по крайней мере один когерентный источник света 1, осветительный объектив 2, модулятор 3, Фурье-объектив 4, фазовый фильтр 5, выходной объектив 6, при этом фазовый фильтр 5 помещен в фокусе Фурье-объектива 4, а размер фазового фильтра 5 подобран так, что фазовый фильтр 5 перекрывает световой поток лазерного излучения в нулевом порядке, причем модулятор 3 содержит нанесенную на первую диэлектрическую прозрачную подложку 7 прозрачный электропроводящий слой 8, покрытый прозрачным гелеобразным слоем 9, и систему n штук прозрачных электродов 11 заданной топологии, расположенных на второй диэлектрической прозрачной подложке 12 в одной плоскости и размещенных с зазором 10 над прозрачным гелеобразным слоем 9, и соединенных электрически с устройством управления 15, при этом n выходов устройства управления 15 соединены с n входами системы прозрачных электродов 11, при этом устройство управления 15 содержит тактовый генератор, задающий последовательность импульсов напряжений 16 на каждом электроде 11 с возможностью сдвига напряжения на электродах 11 на один и более такт, причем n - четное число не менее 4 (для создания бегущей волны), при этом произвольной формы топология системы n прозрачных электродов 11 покрывает световую апертуру 14 второй диэлектрической прозрачной подложки 12, при этом все n прозрачные электроды 11 электрически изолированы друг от друга, последовательность импульсов напряжений 16 от n выходов устройства управления 15 на n входов прозрачных электродов 11 подаются по заданному закону в зависимости от количества прозрачных электродов 11.

В качестве примера реализации изобретения устройство может содержать фазовый фильтр 5, выполненный в виде зеркала.

В качестве примера реализации изобретения устройство может содержать на оптической оси призму полного внутреннего отражения 17, оптически контактирующую с первой прозрачной диэлектрической подложкой 7.

Когерентный источник света 1 (Фиг. 1) с помощью осветительного объектива 2 формирует на апертуре модулятора 3 (Фиг. 2) когерентное световое излучение.

Устройство управления 15 (Фиг. 3) вырабатывает электрические импульсы (Фиг. 5), представляющие собой последовательность импульсов напряжений 16, которые приходят на вход системы прозрачных электродов 11 (Фиг. 4). Последовательность импульсов напряжений 16 формирует рельеф высотой от 0 до максимума, соответствующий набегу оптической фазы для данной длины волны, равной π, на прозрачном гелеобразном слое 9. Устройство управления 15 сдвигает на один такт последовательность импульсов напряжений 16. На поверхности прозрачного гелеобразного слоя 9 создается бегущая волна.

Бегущая волна представляет собой перестраиваемую дифракционную решетку, которая создает дифракционный спектр в плоскости, перпендикулярной оптической оси в месте расположения фазового фильтра 5.

Качество подавления спекла определяется скоростью бегущей волны и ее амплитудой. Дифрагированный свет, попадающий в первый и высшие порядки дифракции, не попадает на фазовый фильтр 5. Недифрагированный свет (нулевой порядок) перекрывается фазовым фильтром 5 и не попадает на выходной объектив 6. Таким образом, световой поток после выходного объектива 6 представляет собой скалярный поток, который не может вызвать спекл на любой шероховатой поверхности.

Поскольку топология системы прозрачных электродов 11 представляет собой пространственную структуру (Фиг. 4А и Фиг. 4В), то свет в плоскости фазового фильтра 5 дифрагирует во всех направлениях в отличие от прототипа.

В другом варианте изобретения (Фиг. 1) устройство работает следующим образом.

Световое излучение нулевого порядка, попадая на фазовый фильтр 5, создает оптический шум. Применение фазового фильтра 5, выполненного в виде зеркала, позволяет устранить оптический шум, направив световое излучение нулевого порядка, например, на световую ловушку.

В другом варианте изобретение работает следующим образом (Фиг. 1 и 6).

На оптической оси введена призма полного внутреннего отражения 17, оптически контактирующая с первой прозрачной диэлектрической подложкой 7. Призма полного внутреннего отражения 17 позволяет устранить оптический шум в лазерном осветителе благодаря тому, что световой поток не проходит через систему прозрачных электродов 11, попадая на Фурье-объектив 4.

Пример реализации изобретения

Устройство по настоящему изобретению может быть выполнено следующим образом.

В качестве когерентного источника света 1 могут быть использованы, например, полупроводниковые лазеры или лазеры на парах меди, золота, стронция, а также газовые лазеры. В качестве элементов устройства управления 15 могут быть использованы стандартные микросхемы или наборы микросхем, уровень интеграции зависит от технических требований устройств.

Система прозрачных электродов 11 может быть выполнена из окиси индия, алюминия, хрома, молибдена. В качестве остальных элементов и блоков могут быть использованы стандартные элементы и блоки. Зазор 10 можно выбрать, например, 10 мкм, а толщину прозрачного гелеобразного слоя 9, например, 45 мкм. Толщина прозрачных электродов 11 может быть выбрана от десятых до сотых долей микрона. Электрические сигналы, поступающие от устройства управления 15 на вход модулятора 3, могут быть, например, выбраны следующими: максимальное напряжение сигнала 15-20 Вольт, тактовая частота, например, 50 кГц.

Прозрачный гелеобразный слой 9 приготавливают на основе полиорганосилоксана известными методами (Патент №2577802, Спеклоподавитель для лазерного излучения (варианты), классы МПК⁷: G02F 1/00).

Первая диэлектрическая прозрачная подложка 7, вторая диэлектрическая прозрачная подложка 12, призма полного внутреннего отражения 17 должны быть выполнены из одного материала, например, из кварцевого стекла. Прозрачный электропроводящий слой 8 - из окиси индия.

Изобретение относится к модуляции света методами управления интенсивностью и фазовыми характеристиками светового потока, и может найти применение для лазерных источников света общего назначения, в том числе для разрушения пространственной и временной когерентности, подавления спекла. Лазерный осветитель содержит последовательно расположенные на оптической оси по крайней мере один когерентный источник света, осветительный объектив, модулятор, Фурье-объектив, фазовый фильтр, выходной объектив. Фазовый фильтр помещен в фокусе Фурье-объектива и перекрывает световой поток лазерного излучения в нулевом порядке. Модулятор содержит первую диэлектрическую прозрачную подложку с прозрачным электропроводящим слоем, покрытым прозрачным гелеобразным слоем на одной стороне, и вторую диэлектрическую прозрачную подложку с массивом прозрачных электродов на одной стороне. Подложки расположены таким образом, что между гелеобразным слоем и электродами образуют зазор. Техническим результатом является снижение шумов формируемого распределения излучения путем пространственного подавления спеклов, а также расширение сферы применения лазерного осветителя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерный осветитель, содержащий последовательно расположенные на оптической оси по крайней мере один когерентный источник света, осветительный объектив, модулятор, Фурье-объектив, фазовый фильтр, выходной объектив, при этом фазовый фильтр помещен в фокусе Фурье-объектива и перекрывает световой поток лазерного излучения в нулевом порядке, причем модулятор содержит первую диэлектрическую прозрачную подложку с прозрачным электропроводящим слоем, покрытым прозрачным гелеобразным слоем на одной стороне, и вторую диэлектрическую прозрачную подложку с массивом прозрачных электродов на одной стороне, причем подложки расположены таким образом, что между гелеобразным слоем и электродами образуют зазор.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый электрод соединен электрически с устройством управления, которое содержит тактовый генератор, задающий последовательность импульсов напряжений на каждом электроде с возможностью сдвига напряжения на электродах на один и более такт.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что содержит четное число электродов более двух.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что топология электродов покрывает световую апертуру второй диэлектрической прозрачной подложки, при этом все электроды электрически изолированы друг от друга, а последовательность импульсов напряжений от выходов устройства управления на входы прозрачных электродов подается по заданному закону в зависимости от количества прозрачных электродов.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что фазовый фильтр выполнен в виде зеркала.

6. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что на оптической оси введена призма полного внутреннего отражения, оптически контактирующая с первой прозрачной диэлектрической подложкой.

7. Способ подавления спеклов в лазерных осветителях, отличающийся тем, что последовательно направляют свет от когерентного источника на объектив, модулятор, Фурье-объектив, фазовый фильтр, размещенный в области фокуса Фурье-объектива, выходной объектив, при этом на модулятор, содержащий первую диэлектрическую прозрачную подложку с прозрачным электропроводящим слоем, покрытым прозрачным гелеобразным слоем на одной стороне, вторую диэлектрическую прозрачную подложку с массивом покрывающих световую апертуру прозрачных электродов на одной стороне, подают импульсы напряжений для рассогласования фазы светового излучения.