RU2762176C1

RU2762176C1 - Device for expanding an optical radiation beam and method for expanding an optical radiation beam for coherent illumination

Info

Publication number: RU2762176C1
Application number: RU2020124347A
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Морозов; Сергей Евгеньевич Дубынин; Герман Борисович ДУБИНИН; Андрей Николаевич Путилин; Хун СОН; Хон-Сеок ЛИ; Чил-Сун ЧОЙ
Original assignee: Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2021-12-16
Also published as: KR20220012159A

Abstract

FIELD: optical equipment.SUBSTANCE: group of inventions relates to the field of optical systems. The device for expanding a coherent optical radiation beam contains a first optical element and a second optical element, while the first optical element contains an optical radiation diffuser with a given angular aperture, made with the possibility of scattering incident optical radiation, while the first optical element is made with the possibility of directing optical radiation scattered by an optical radiation diffuser with a given angular aperture into the plane of the second optical element with a given cross-section shape and uniformity of the optical radiation beam; and the second optical element is made with the possibility of collimation of the optical radiation beam and its output while maintaining the coherence of the optical radiation beam.EFFECT: increase in the efficiency of the optical system while maintaining the coherence of the optical radiation beam at the output and reducing or eliminating speckles.17 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

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.) в пользовательских устройствах, предпочтительно в портативных устройствах, таких как телефоны, планшетные компьютеры и т.п.The invention relates to the field of optical systems, and more specifically to optical radiation beam expanders used to create backlighting in means of forming and / or displaying a three-dimensional image (for example, three-dimensional (3D) displays, holographic displays, etc.) in user devices, preferably in portable devices such as telephones, tablet computers, and the like.

Уровень техникиState of the art

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.In optical systems, and in particular in holographic imaging and display systems, optical radiation beam expanders are used, which are generally optical devices that receive a collimated optical radiation beam and expand its dimensions.

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, повышение эффективности при придании однородности и создании определенной формы поперечного сечения (апертуры) пучка оптического излучения, а также подавление спеклов.Among the requirements for currently developed holographic display facilities, as well as the systems for illumination and beam expansion included in their composition, the main ones are minimizing the size of the device, increasing the efficiency while imparting homogeneity and creating a certain cross-sectional shape (aperture) of the optical radiation beam, and See also speckle suppression.

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.The so-called "speckles" (speckle structures, from the English speckle - speck, speck) are random interference patterns that are formed during mutual interference of coherent waves with random phase shifts and / or a random set of intensities.

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, и в эффективности подавления спеклов лазерного пучка и сохранение когерентности выходного излучения.Requirements for holographic display devices, as well as the systems for illumination, expansion and collimation of the optical radiation beam included in their composition, consist in the formation of a beam with a given shape and dimensions of the cross-section (aperture), ensuring uniformity and with a sufficiently compact size of the device, in ensuring the possibility of using with various sources of optical radiation, but without the need to adjust the device for a specific source of optical radiation, and in the efficiency of suppressing speckles of the laser beam and maintaining the coherence of the output radiation.

Оптическим системам с расширителями пучка оптического излучения в общем присущи следующие проблемы:Optical systems with optical beam expanders generally have the following problems:

1) Однородность пучка оптического излучения1) Uniformity of the optical beam

Расширенный пучок оптического излучения для обычного высокоэффективного расширителя пучка (BE) обеспечивает ограниченные возможности в плане сохранения когерентности лазерного пучка и обеспечения высокой однородности;The extended beam of optical radiation for a conventional high efficiency beam expander (BE) provides limited ability to maintain laser beam coherence and achieve high homogeneity;

2) Формирование поперечного сечения (апертуры) пучка2) Formation of the cross section (aperture) of the beam

При том что на входе в BE пучок оптического излучения обладает круговой или эллиптической симметрией, невозможно обеспечение однородности пучка оптического излучения и формирования поперечного сечения пучка (придания ему необходимой формы) с сохранением высокой эффективности системы, т. е. без значительных потерь в энергии;Given that the optical radiation beam at the entrance to BE has circular or elliptical symmetry, it is impossible to ensure the homogeneity of the optical radiation beam and the formation of the beam cross-section (giving it the required shape) while maintaining the high efficiency of the system, i.e., without significant energy losses;

3) Устранение спеклов3) Elimination of speckles

Использование когерентного лазерного излучения приводит к возникновению спеклов и спекловых картин, которые формируются вследствие случайной интерференции.The use of coherent laser radiation results in speckles and speckle patterns, which are formed due to random interference.

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.US 20040130790 A1 (Tasso Sales, 07/08/2004) discloses a random array of microlenses (microlens raster) to shape and uniform an optical beam. According to this source, microlens arrays are defined by microlens elements that differ from each other according to a probability distribution. This allows the formation of a beam of optical radiation having a predetermined intensity profile within the desired scattering pattern in the far field. Differences between microlenses include random variations in the microlens surface profile, the boundary profile corresponding to the microlens boundary, and the spatial distribution corresponding to the relative position of the microlenses within the array. The microlens surface profile can be used to ensure a uniformity of the intensity profile of the optical radiation beam. Variations in the boundary profile within the irregular distribution can be used to apply a predetermined intensity profile of the optical radiation beam within the desired scattering pattern. The disadvantages of this known solution include non-collimated output radiation, loss of beam coherence, the ability to give the optical radiation beam a cross-sectional shape and uniformity only on one plane. In addition, this known solution is associated with a pronounced formation of speckles when using laser radiation, and is also implemented in a device having large overall dimensions.

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.US 9,464,779 B2 (DIGILENS, INC., 10/11/2016) discloses a device that condenses light from multiple sources using Bragg gratings for sequential color illumination, which contains a sequence of the following elements: first and second light sources, a condensing lens and a Bragg assembly gratings containing at least one Bragg grating. A condensing lens directs light from the first and second light sources into the Bragg grating assembly at first and second incidence angles, respectively. The Bragg grating assembly refracts light from the first and second light sources in a common direction. Preferably, the Bragg gratings are electrically switchable Bragg gratings and the light sources are LEDs or lasers. The known solution forms a lighting system with multiple light sources and electrically switchable Bragg gratings to collect and provide uniformity of optical radiation. The disadvantages of this known solution include ensuring the homogeneity of optical radiation with time separation, the presence of a fog effect due to the use of switchable Bragg gratings, the need for precise alignment of the system components, the non-integrated nature of the solution, and the large overall dimensions of the hardware components that implement this solution.

Вышеуказанное известное решение может быть принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) предлагаемого изобретения.The above known solution can be taken as the closest analogue (prototype) of the present invention.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

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.This section, which discloses various aspects and options for carrying out the claimed invention, is intended to provide a brief description of the claimed subject matter and variants of its implementation. A detailed description of the technical means and methods that implement the combination of features of the claimed inventions is given below. Neither this disclosure nor the following detailed description and accompanying drawings should be construed as defining the scope of the claimed invention. The scope of legal protection of the claimed invention is determined exclusively by the attached claims.

Предлагаемое изобретение было создано с учетом недостатков вышеприведенных известных решений и направлено на устранение или по меньшей мере уменьшение недостатков уровня техники.The proposed invention was created taking into account the disadvantages of the above known solutions and is aimed at eliminating or at least reducing the disadvantages of the prior art.

Техническая проблема, решаемая изобретением, состоит в обеспечении возможности придания однородности пучку когерентного оптического излучения, а также придания необходимой формы его поперечному сечению, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности выводимого пучка оптического излучения.The technical problem solved by the invention consists in providing the possibility of imparting homogeneity to the beam of coherent optical radiation, as well as giving the required shape to its cross section, with reducing or eliminating speckles, while maintaining the coherence of the output beam of optical radiation.

Задача изобретения состоит в создании устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения и способа расширения пучка когерентного 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 пучка оптического излучения на выходе и с уменьшением или устранением спеклов.The object of the invention is to provide a device for expanding a beam of coherent optical radiation and a method for expanding a beam of coherent optical radiation, which would solve at least the above technical problem. The technical result achieved with the use of the invention consists in increasing the efficiency of the optical system while maintaining the coherence of the optical radiation beam at the output and reducing or eliminating speckles.

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.In the context of the present invention, the expansion of the optical radiation beam is understood as a direct increase in the dimensions of the beam cross-section at the exit of the device for expanding the optical beam according to the invention in relation to the dimensions of the cross-section of the beam transmitted from the radiation source to the input of the device for expanding the optical beam according to the invention, with simultaneous alignment distribution of energy in the output beam within the entire aperture.

В первом аспекте настоящего изобретения данная задача решается устройством для расширения пучка когерентного оптического излучения, которое содержит первый оптический элемент и второй оптический элемент, при этом первый оптический элемент содержит рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой, выполненный с возможностью рассеивания падающего оптического излучения, при этом первый оптический элемент выполнен с возможностью направления оптического излучения, рассеянного рассеивателем оптического излучения с заданной угловой апертурой, в плоскость второго оптического элемента с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения; и при этом второй оптический элемент выполнен с возможностью коллимации пучка оптического излучения и его вывода из устройства с сохранением когерентности пучка оптического излучения. В варианте выполнения изобретения, по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE). В другом варианте выполнения изобретения, по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE). В одном или более вариантах выполнения изобретения первый оптический элемент и второй оптический элемент соединены волноводом, выполненным с возможностью направления пучка оптического излучения с заданной формой сечения и однородностью от первого оптического элемента ко второму оптическому элементу. Устройство согласно изобретению может дополнительно содержать по меньшей мере один источник падающего оптического излучения. По меньшей мере один источник падающего оптического излучения может представлять собой лазерный диод.In a first aspect of the present invention, this problem is solved by a device for expanding a beam of coherent optical radiation, which comprises a first optical element and a second optical element, wherein the first optical element comprises an optical diffuser with a predetermined angular aperture configured to diffuse incident optical radiation, while the first optical element is configured to direct optical radiation scattered by the optical radiation diffuser with a given angular aperture into the plane of the second optical element with a given cross-sectional shape and uniformity of the optical radiation beam; and the second optical element is configured to collimate the optical radiation beam and output it from the device while maintaining the coherence of the optical radiation beam. In an embodiment of the invention, at least one of the first optical element and the second optical element is a diffractive optical element (DOE). In another embodiment of the invention, at least one of the first optical element and the second optical element is a holographic optical element (HOE). In one or more embodiments of the invention, the first optical element and the second optical element are connected by a waveguide configured to direct a beam of optical radiation with a predetermined cross-sectional shape and uniformity from the first optical element to the second optical element. The device according to the invention may further comprise at least one source of incident optical radiation. At least one source of incident optical radiation may be a laser diode.

Во втором аспекте предлагаемого изобретения вышеуказанная задача решается способом расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащим этапы, на которых: рассеивают падающее оптическое излучение с помощью рассеивателя, вводят в волновод с помощью первого оптического элемента; направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения; коллимируют оптическое излучение во втором оптическом элементе и выводят оптическое излучение из второго оптического элемента с сохранением когерентности, однородности пучка оптического излучения и уменьшением контраста спеклов.In a second aspect of the present invention, the above problem is solved by a method of expanding a beam of coherent optical radiation, comprising the steps of: scattering the incident optical radiation using a diffuser, injecting it into a waveguide using a first optical element; directing optical radiation into the plane of the second optical element with a given cross-sectional shape and uniformity of the optical radiation beam; collimating optical radiation in the second optical element and outputting optical radiation from the second optical element while maintaining coherence, homogeneity of the optical radiation beam and reducing the contrast of speckles.

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.It will be apparent to those skilled in the art that in addition to the foregoing aspects of the invention, the inventive concept underlying the present invention may be embodied in other aspects of the invention, such as one or more optical systems, devices, methods, and the like.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

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. Аналогичные или одинаковые элементы обозначены аналогичными или одинаковыми ссылочными позициями на всех чертежах.The drawings are provided in this document to facilitate understanding of the essence of the present invention. The drawings are schematic and not to scale. The drawings are for illustrative purposes only and are not intended to define the scope of the present invention. Similar or the same elements are designated by the same or the same reference numbers throughout the drawings.

На Фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения в варианте выполнения изобретения.FIG. 1 shows a schematic diagram of a device for expanding a beam of coherent optical radiation in an embodiment of the invention.

На Фиг. 2 показан вид «А» по Фиг. 1.FIG. 2 shows a view "A" of FIG. one.

На Фиг. 3 показана общая схема оптической системы устройства для расширения пучка когерентного оптического излучения в варианте выполнения изобретения.FIG. 3 shows a general diagram of an optical system of a device for expanding a beam of coherent optical radiation in an embodiment of the invention.

На Фиг. 4 показана блок-схема способа расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению.FIG. 4 shows a block diagram of a method for expanding a beam of coherent optical radiation according to the invention.

На Фиг. 5 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором в качестве рассеивателя (диффузора) оптического излучения с заданной угловой апертурой используется диффузор с угловой апертурой 5°.FIG. 5 is an illustrative cross-sectional view of an expanded beam at the exit of an optical beam expansion device according to one exemplary embodiment of the invention, in which a 5 ° angular aperture diffuser is used as an optical diffuser with a predetermined angular aperture.

На Фиг. 6 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором в качестве рассеивателя (диффузора) оптического излучения с заданной угловой апертурой используется микролинзовый растр размером 20х20 линз с фокусом 500 мкм и периодом 500 мкм.FIG. 6 shows an illustrative image of a cross-section of an expanded beam at the output of a device for expanding an optical beam according to one of the exemplary embodiments of the invention, in which a microlens raster of 20x20 lenses with a focus of 500 μm and a period of 500 is used as a diffuser (diffuser) of optical radiation with a given angular aperture microns.

На Фиг. 7 представлено иллюстративное изображение поперечного сечения расширенного пучка на выходе устройства для расширения оптического пучка согласно одному из примерных вариантов выполнения изобретения, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой интегрирован на стадии записи в первый оптический элемент и представляет собой матовый диффузор с угловой апертурой 5°.FIG. 7 is an illustrative cross-sectional view of an expanded beam at the output of a device for expanding an optical beam according to one exemplary embodiment of the invention, in which an optical radiation diffuser with a given angular aperture is integrated into the first optical element during the recording stage and is a matte diffuser with an angular aperture of 5 °. ...

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Предлагаемое изобретение направлено на создание устройства для расширения и коллимации пучка когерентного оптического излучения и способа расширения и коллимации пучка когерентного оптического излучения с обеспечением возможности придания пучку когерентного оптического излучения однородности и необходимой формы сечения, с уменьшением или устранением спеклов, при сохранении когерентности пучка оптического излучения.The proposed invention is aimed at creating a device for expanding and collimating a beam of coherent optical radiation and a method for expanding and collimating a beam of coherent optical radiation with the possibility of giving the beam of coherent optical radiation uniformity and the required cross-sectional shape, with reducing or eliminating speckles, while maintaining the coherence of the optical radiation beam.

В общем случае, предлагаемое устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению содержит два оптических элемента 1, 2, которые могут быть реализованы в виде голографических оптических элементов (HOE) или дифракционных оптических элементов (DOE), соответственно. Возможны варианты выполнения, в которых первый оптический элемент 1 представляет собой голографический оптический элемент (HOE), а второй оптический элемент 2 - дифракционный оптический элемент (DOE), и наоборот. Далее в настоящем документе первый оптический элемент 1 будет обозначаться HOE/DOE1, а второй оптический элемент 2 - HOE/DOE2.In general, the proposed device for expanding the beam of optical radiation according to the invention contains two optical elements 1, 2, which can be implemented in the form of holographic optical elements (HOE) or diffractive optical elements (DOE), respectively. Embodiments are possible in which the first optical element 1 is a holographic optical element (HOE) and the second optical element 2 is a diffractive optical element (DOE), and vice versa. Hereinafter, the first optical element 1 will be referred to as HOE / DOE1 and the second optical element 2 as HOE / DOE2.

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.It should be noted that both a diffractive optical element (DOE) and a holographic optical element (HOE) are based essentially on the same physical principle, that is, both types of these optical elements can essentially be classified as diffractive optical elements. The difference between them is that diffractive optical elements are optical elements in which diffraction occurs on the surface relief, and holographic optical elements are Bragg volumetric gratings, in which diffraction occurs in a material due to a local change in its optical properties.

При этом назначение первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1) заключается в рассеивании падающего (входного) оптического излучения 5 и его направлении на плоскость второго оптического элемента 2 с заданной формой сечения и однородностью пучка оптического излучения с уменьшением или устранением спеклов. Второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2) использует оптическое излучение, поперечное сечение которого сформировано первым оптическим элементом 1 (HOE/DOE1), коллимируя его, при сохранении когерентности оптического излучения на выходе из второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) и из устройства в целом.In this case, the purpose of the first optical element 1 (HOE / DOE1) is to scatter the incident (input) optical radiation 5 and direct it onto the plane of the second optical element 2 with a given cross-sectional shape and homogeneity of the optical radiation beam with a decrease or elimination of speckles. The second optical element 2 (HOE / DOE2) uses optical radiation, the cross-section of which is formed by the first optical element 1 (HOE / DOE1), collimating it, while maintaining the coherence of optical radiation at the exit from the second optical element 2 (HOE / DOE2) and from the device generally.

Для рассеивания падающего (входного) оптического излучения 5 в устройстве согласно изобретению предусмотрен рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения с заданной (требуемой) угловой апертурой. В контексте настоящего изобретения понятие «заданная» или «требуемая» угловая апертура - означает, что угловая апертура рассеивателя 4 оптического излучения специально заранее рассчитана или подобрана под конкретные параметры оптической системы и согласована с остальными элементами. То, какими средствами задается угловая апертура, зависит от типа конструкции рассеивателя 4 (диффузора). Так, если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой матовый рассеиватель, то угловая апертура «задается» шероховатостью поверхности, размером неровностей. Если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой массив микролинз (микролинзовый растр), то угловая апертура «задается» фокусным расстоянием линз, их размерами и периодом. Если рассеиватель 4 оптического излучения представляет собой голографический/дифракционный оптический элемент или интегрирован в такой оптический элемент, угловая апертура «задается» записанной дифракционной структурой такого оптического элемента.To scatter the incident (input) optical radiation 5 in the device according to the invention, a diffuser 4 (diffuser) of optical radiation with a given (required) angular aperture is provided. In the context of the present invention, the term "specified" or "required" angular aperture means that the angular aperture of the optical diffuser 4 is specially calculated or matched to specific parameters of the optical system and is coordinated with the rest of the elements. The means by which the angular aperture is set depends on the type of design of the diffuser 4 (diffuser). So, if the diffuser 4 of optical radiation is a matte diffuser, then the angular aperture is "set" by the surface roughness, the size of the irregularities. If the diffuser 4 of optical radiation is an array of microlenses (microlens raster), then the angular aperture is "set" by the focal length of the lenses, their size and period. If the optical diffuser 4 is a holographic / diffractive optical element or is integrated into such an optical element, the angular aperture is "defined" by the recorded diffractive structure of such an optical element.

В различных вариантах выполнения рассеиватель 4 оптического излучения может быть отдельным элементом устройства, либо он может быть реализован в первом оптическом элементе 1. Так, например, в варианте выполнения, в котором первый оптический элемент 1 реализован в виде оптической решетки, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть «записан» в структуре упомянутой оптической решетки. В частности, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть интегрирован в первый оптический элемент 1 на стадии «записи», что позволяет называть рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения с заданной угловой апертурой в контексте некоторых вариантов выполнения настоящего изобретения «виртуальным» рассеивателем (диффузором).In various embodiments, the optical diffuser 4 can be a separate element of the device, or it can be implemented in the first optical element 1. For example, in an embodiment in which the first optical element 1 is implemented in the form of an optical grating, the optical diffuser 4 with a given angular aperture can be "recorded" in the structure of said optical grating. In particular, a diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture can be integrated into the first optical element 1 at the stage of "recording", which makes it possible to call the diffuser 4 (diffuser) of optical radiation with a given angular aperture in the context of some embodiments of the present invention a "virtual" diffuser (diffuser).

Вышеупомянутый процесс «записи» рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в структуре оптической решетки, реализующей первый оптический элемент 1, может осуществляться посредством двух типов записи - аналогового и цифрового.The above-mentioned process of "recording" of the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture in the structure of the optical grating realizing the first optical element 1 can be carried out by means of two types of recording - analog and digital.

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 пучку оптического излучения, участвовавшему в записи. Иными словами, обычная дифракционная решетка по существу представляет собой интерференционную картину между двумя коллимированными пучками. Если в один из пучков при записи поместить рассеиватель 4 оптического излучения, то при освещении полученного HOE/DOE вторым участвовавшим в записи коллимированным пучком на выходе будет получено распределение энергии, соответствующее распределению энергии после прохождения излучения через рассеиватель 4 (диффузор) оптического излучения.An analog recording is essentially a registration on the photographic material of the result of interference (interference pattern) between two beams of optical radiation - the reference and object beams. When the resulting structure is illuminated with one of the optical radiation beams that participated in the recording, or with an optical radiation beam coupled with it, as a result of diffraction, an optical radiation beam will be restored, completely identical in all parameters to the optical radiation beam that participated in the recording. In other words, a conventional grating is essentially an interference pattern between two collimated beams. If a scatterer 4 of optical radiation is placed in one of the beams during recording, then when the obtained HOE / DOE is illuminated by the second collimated beam participating in the recording, an energy distribution corresponding to the distribution of energy after the radiation passes through the scatterer 4 (diffuser) of optical radiation will be obtained at the output.

Цифровая запись подразумевает не формирование требуемого пучка, а расчет/моделирование требуемой структуры DOE/HOE и последующего ее получения литографическим или механическим способом.Digital recording does not imply the formation of the required beam, but the calculation / modeling of the required DOE / HOE structure and its subsequent obtaining by a lithographic or mechanical method.

В вариантах выполнения, в которых рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в качестве отдельного элемента, он может быть выполнен в виде элемента с определенной шероховатостью поверхности, микролинзового растра, либо он может по существу сам представлять собой DOE/HOE. При этом рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован как в виде отдельного элемента, помещенного перед первым оптическим элементом 1 через некоторый промежуток между ними, так может быть и выполнен в виде элемента, склеенного с волноводом 3 или первым оптическим элементом 1. Кроме того, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть выполнен на одной из поверхностей волновода 3 механическими средствами, химическими средствами (путем травления), либо литьем.In embodiments in which the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture is made as a separate element, it can be made in the form of an element with a certain surface roughness, a microlens raster, or it can essentially be DOE / HOE itself. In this case, the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture can be implemented as a separate element placed in front of the first optical element 1 through a certain gap between them, so it can be made in the form of an element glued to the waveguide 3 or the first optical element 1. In addition, the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture can be made on one of the surfaces of the waveguide 3 by mechanical means, chemical means (by etching), or by casting.

В различных вариантах выполнения изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован в виде матового рассеивателя. Пучок падающего оптического излучения 5 с гауссовым распределением преобразуется рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в комбинацию вторичных источников излучения.In various embodiments of the invention, the optical diffuser 4 with a given angular aperture can be implemented as a matte diffuser. A beam of incident optical radiation 5 with a Gaussian distribution is converted by a scatterer 4 of optical radiation with a given angular aperture into a combination of secondary radiation sources.

В варианте выполнения, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован в виде так называемой рассчитанной «фазовой маски», изготавливаемой методом травления, резки, литья или литографии. «Фазовая маска» придает форму оптическому излучению для рассеивания оптического излучения требуемым образом. В такой конфигурации может быть обеспечена более высокая эффективность вследствие лучшего покрытия площади второго оптического элемента 2 рассеянным оптическим излучением из первого оптического элемента 1. Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в виде «фазовой маски» может быть выполнен из любых оптически прозрачных материалов, таких как, в качестве неограничивающего примера, пластик, стекло, смолы, полимеры, фотополимеры.In an embodiment, the optical radiation diffuser 4 with a predetermined angular aperture can be realized in the form of a so-called calculated "phase mask" produced by etching, cutting, casting or lithography. A "phase mask" shapes optical radiation to scatter the optical radiation as desired. In such a configuration, higher efficiency can be achieved due to better coverage of the area of the second optical element 2 with scattered optical radiation from the first optical element 1. The optical diffuser 4 with a given angular aperture in the form of a "phase mask" can be made of any optically transparent materials, such as, by way of non-limiting example, plastic, glass, resins, polymers, photopolymers.

В другом варианте выполнения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть реализован массивом микролинз (микролинзовым растром) (MLA) с периодической или случайной структурой. Данный вариант выполнения может обладать несколько меньшей эффективностью, чем рассеиватель 4 оптического излучения на основе «фазовой маски» вследствие большого углового диапазона, обеспечиваемого MLA, в связи с чем форма сечения пучка в плоскости второго оптического элемента 2 может обладать большими размерами, чем размер самого оптического элемента.In another embodiment, the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture can be implemented with a microlens array (microlens array) (MLA) with a periodic or random structure. This embodiment may have a slightly lower efficiency than the optical radiation diffuser 4 based on the "phase mask" due to the large angular range provided by the MLA, and therefore the shape of the beam section in the plane of the second optical element 2 may have larger dimensions than the size of the optical element.

Следует отметить, что выше приведены лишь некоторые иллюстративные примеры реализации рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, используемого в устройстве согласно изобретению. Выбор конкретного варианта реализации рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой определяется конкретными особенностями реализации устройства согласно изобретению и/или конкретными требованиями, предъявляемыми к устройству, и специалистам в данной области техники будут очевидны другие возможные технические средства и методы, реализующие рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в пределах объема настоящего изобретения.It should be noted that the above are only some illustrative examples of the implementation of the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture used in the device according to the invention. The choice of a specific embodiment of the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture is determined by the specific features of the implementation of the device according to the invention and / or the specific requirements for the device, and specialists in this field of technology will be aware of other possible technical means and methods that implement the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture within the scope of the present invention.

Качество смешивания лучей пучка оптического излучения и однородность формируемого пучка обеспечивается плотностью и диаграммой направленности излучения от вторичных источников и длиной оптического пути в волноводе 3. Эффективность всей оптической системы предлагаемого устройства также зависит от диаграммы направленности излучения для вторичных источников и длины оптического пути в волноводе 3. Рассеиватель 4 оптического излучения позволяет уменьшить помехи в виде спеклов за счет фазовой модуляции пространственной неоднородности.The quality of mixing the rays of the optical radiation beam and the homogeneity of the formed beam is ensured by the density and radiation pattern of secondary sources and the length of the optical path in the waveguide 3. The efficiency of the entire optical system of the proposed device also depends on the radiation pattern for secondary sources and the length of the optical path in the waveguide 3. The diffuser 4 of optical radiation can reduce noise in the form of speckles due to phase modulation of spatial inhomogeneity.

Каждый из множества вторичных источников излучения, формируемых путем размножения пучка падающего когерентного оптического излучения 5 посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, формирует свою постоянную во времени спекловую картину, отличную от спекловых картин других пучков оптического излучения. Наложение спекловых картин от множества пучков оптического излучения, полученных посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, позволяет значительно снизить контрастность спекловой картины, формирующейся на втором оптическом элементе 2. Суммарная контрастность спекловой картины на втором оптическом элементе 2 уменьшается в

раз, где n - количество пучков оптического излучения, полученных посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой. Реализация оптической схемы с рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в устройстве для расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению позволяет уменьшить формирование спеклов в выходном оптическом излучении 6 из второго оптического элемента 2 на величину до 80%.Each of the plurality of secondary radiation sources formed by multiplying a beam of incident coherent optical radiation 5 by means of an optical radiation scatterer 4 with a given angular aperture forms its own speckle pattern that is constant in time, which is different from the speckle patterns of other beams of optical radiation. The superposition of speckle patterns from a plurality of beams of optical radiation obtained by means of an optical radiation scatterer 4 with a given angular aperture makes it possible to significantly reduce the contrast of the speckle pattern formed on the second optical element 2. The total contrast of the speckle pattern on the second optical element 2 decreases in

times, where n is the number of beams of optical radiation obtained by means of the scatterer 4 of optical radiation with a given angular aperture. Implementation of an optical scheme with an optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture in a device for expanding a beam of coherent optical radiation according to the invention makes it possible to reduce the formation of speckles in the output optical radiation 6 from the second optical element 2 by up to 80%.

Как указано выше, по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой может быть интегрирован в структуру первого оптического элемента 1. Это может быть реализовано при изготовлении первого оптического элемента 1 и позволяет уменьшить количество компонентов устройства согласно изобретению, при этом обеспечив эффективность, аналогичную предыдущему варианту выполнения, описанному выше, за счет лучшего покрытия площади второго оптического элемента 2 рассеянным светом, передаваемым из первого оптического элемента 1.As indicated above, in at least one embodiment of the invention, the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture can be integrated into the structure of the first optical element 1. This can be implemented in the manufacture of the first optical element 1 and allows reducing the number of components of the device according to the invention, when thereby providing an efficiency similar to the previous embodiment described above by better covering the area of the second optical element 2 with scattered light transmitted from the first optical element 1.

В общем случае, устройство для расширения пучка оптического излучения согласно изобретению включает в себя рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, первый оптический элемент 1, второй оптический элемент 2 и волновод 3, соединяющий первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2. 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.In general, a device for expanding an optical radiation beam according to the invention includes an optical radiation diffuser 4 with a predetermined angular aperture, a first optical element 1, a second optical element 2, and a waveguide 3 connecting the first optical element 1 and the second optical element 2. Since the device for expanding the beam of optical radiation according to the invention, it should provide the possibility of using various sources of optical radiation without the need to adjust the device for a specific source of optical radiation, this implies the use of a source of incident optical radiation, which is generally external to the claimed device.

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.However, in at least one particular embodiment of the invention, the device for expanding the optical radiation beam may include at least one source of incident optical radiation, which may be due to the concept of both the device for expanding the optical radiation beam and the entire system, part of which is a device for expanding a beam of optical radiation in a specific application. An example of the implementation of the invention with an external source of optical radiation can serve as its use as an independent device for laboratory stands, in metrology, in devices of the same type for the end user of various manufacturers (monitors, glasses of augmented or virtual reality), etc. An example of the implementation of the invention with a built-in source of optical radiation can serve as its use in user devices of one manufacturer when unifying the element base.

В различных вариантах выполнения настоящего изобретения, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой 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:In various embodiments of the present invention, the optical diffuser 4 with a given angular aperture can be made of any material that is optically transparent in the spectral range of the optical radiation generated by the radiation source used in the device, such as, as a non-limiting example, plastic, glass , resins, polymers, photopolymers, in the form of one or more of the following:

- отдельного элемента;- a separate element;

- элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3 или выполненного в виде части поверхности волновода 3;- an element attached to the surface of the waveguide 3 or made as a part of the surface of the waveguide 3;

- элемента, объединенного с первым оптическим элементом 1 (входной оптической решеткой, HOE/DOE1);- an element combined with the first optical element 1 (input optical array, HOE / DOE1);

- элемента с заданным рельефом поверхности;- an element with a given surface relief;

- отражающего или пропускающего дифракционного оптического элемента (рельефного оптического элемента или объемной брэгговской решетки (VBG)).- reflective or transmissive diffractive optical element (relief optical element or volume Bragg grating (VBG)).

Первый оптический элемент 1 (входная оптическая решетка, HOE/DOE1) в различных вариантах выполнения изобретения 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:The first optical element 1 (entrance optical grating, HOE / DOE1) in various embodiments of the invention can be made of any material that is optically transparent in the spectral range of optical radiation generated by the radiation source used in the device, such as, by way of non-limiting example, plastic, glass, resins, polymers, photopolymers, one or more of the following:

- отдельного элемента;- a separate element;

- элемента, объединенного с рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой;- an element combined with a diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture;

Волновод 3 может представлять собой подложку с тонкопленочным покрытием или без него, либо с многослойным пленочным покрытием на одной или обеих его поверхностях. Подложка 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.Waveguide 3 can be a substrate with or without a thin film coating, or with a multilayer film coating on one or both of its surfaces. The substrate can be made from any optically transparent material used in the art. Thin-film coatings can be single-layer and multi-layer, reflective (mirror), and in particular they can be metallized or oxide films. They can also be implemented as antireflection, spectral selective, partially transmissive coatings. Thin film coatings are applied by spraying or chemical deposition.

Второй оптический элемент 2 (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: The second optical element 2 (output optical grating, HOE / DOE2) can be made of any material that is optically transparent in the spectral range of optical radiation generated by the radiation source used in the device, such as, by way of non-limiting example, plastic, glass, resins , polymers, photopolymers, in the form of one or more of the following:

- отдельного элемента;- a separate element;

Как видно на Фиг. 1 и 3, в вариантах выполнения устройства согласно изобретению, в которых рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в виде отдельного элемента или элемента, прикрепленного к поверхности волновода 3, рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первый оптический элемент 1 могут быть размещены по разные стороны от волновода 3, по существу друг над другом. Возможны и другие варианты взаимного расположения рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первого оптического элемента 1 (входной оптической решетки), которые будут очевидны специалистам в данной области техники.As seen in FIG. 1 and 3, in embodiments of the device according to the invention, in which the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture is made in the form of a separate element or an element attached to the surface of the waveguide 3, the diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture and the first optical element 1 can be placed on different sides of the waveguide 3, essentially one above the other. Other variants of the relative position of the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture and the first optical element 1 (input optical grating) are also possible, which will be obvious to those skilled in the art.

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 оптическое излучение с определенным распределением интенсивности в плоскости рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой. 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.As a source of optical radiation, both external with respect to the device for expanding the optical radiation beam according to the invention, and built into the device for expanding the optical radiation beam in the embodiments of the present invention, a laser diode can be used. The laser diode generates coherent optical radiation with a certain intensity distribution in the plane of the optical scatterer 4 with a given angular aperture. However, it should be noted that according to the invention, variants of the optical radiation source are not limited to a laser diode, and, for example, any source with a narrow spectral range that is not a laser source, for example, such as a light emitting diode (LED), can be used as an optical radiation source. or organic light-emitting diode (OLED). The above examples do not limit the list of possible sources of optical radiation that can be used with the present invention or, in particular embodiments, in the device for expanding the optical radiation beam according to the present invention. For example, in some embodiments, the source of optical radiation can be a gas-discharge lamp, since it generates several narrow spectral lines of optical radiation.

Согласно изобретению, в варианте выполнения на рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой падает пучок когерентного (в качестве неограничивающего примера, лазерного) оптического излучения с гауссовым распределением интенсивности оптического излучения. Из этого падающего оптического излучения 5 рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой формирует множество расположенных с высокой плотностью вторичных «источников» оптического излучения и необходимыми диаграммами направленности для сохранения энергии оптического излучения.According to the invention, in an embodiment, a beam of coherent (as a non-limiting example, laser) optical radiation with a Gaussian distribution of the optical radiation intensity is incident on the optical light diffuser 4 with a given angular aperture. From this incident optical radiation 5, the optical radiation diffuser 4 with a predetermined angular aperture forms a plurality of secondary "sources" of optical radiation located with a high density and with the necessary radiation patterns to store the energy of the optical radiation.

Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой рассеивает падающее оптическое излучение 5 от источника оптического излучения и подсвечивает первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1). Первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1) играет роль элемента связи (или вводного элемента) для введения падающего оптического излучения 5 в волновод 3 и роль линзы для фокусировки коллимированного оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой рассеивает входящее оптическое излучение, а первый оптический элемент 1 (HOE/DOE1) формирует множество точек оптического излучения на плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен таким образом, что в сочетании с первым оптическим элементом 1 (HOE/DOE1) он формирует пятно оптического излучения определенной формы, однородное по интенсивности и со значительно уменьшенным контрастом спеклов, в плоскости второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2).The optical diffuser 4 with a predetermined angular aperture scatters the incident optical radiation 5 from the optical radiation source and illuminates the first optical element 1 (HOE / DOE1). The first optical element 1 (HOE / DOE1) plays the role of a coupling element (or an input element) for introducing incident optical radiation 5 into the waveguide 3 and the role of a lens for focusing collimated optical radiation on the plane of the second optical element 2 (HOE / DOE2). An optical diffuser 4 with a predetermined angular aperture scatters incoming optical radiation, and the first optical element 1 (HOE / DOE1) forms a plurality of optical radiation points on the plane of the second optical element 2 (HOE / DOE2). The diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture is made in such a way that, in combination with the first optical element 1 (HOE / DOE1), it forms an optical radiation spot of a certain shape, uniform in intensity and with a significantly reduced speckle contrast, in the plane of the second optical element 2 ( HOE / DOE2).

Проходя по волноводу 3, оптическое излучение попадает на второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2), который коллимирует оптическое излучение из каждой точки, сформированной рассеивателем 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, и объединяет все упомянутые точки в одно пятно, имеющее требуемую форму. При этом на выходе второго оптического элемента 2 (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 2 (HOE/DOE2) имеет форму и размеры сечения, по существу соответствующие форме и размерам второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2), то есть по существу полностью покрывает плоскость второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2), не выходя за ее пределы, что обеспечивает высокую эффективность подсветки коллимированным выходным оптическим излучением 6.Passing through the waveguide 3, the optical radiation falls on the second optical element 2 (HOE / DOE2), which collimates the optical radiation from each point formed by the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture, and combines all these points into one spot having the required shape. At the same time, at the output of the second optical element 2 (HOE / DOE2), the optical radiation has a high degree of collimation, uniformity and has the required cross-sectional shape with a low speckle contrast. Preferably, the beam of optical radiation on the plane of the second optical element 2 (HOE / DOE2) has a shape and sectional dimensions substantially corresponding to the shape and dimensions of the second optical element 2 (HOE / DOE2), that is, substantially completely covers the plane of the second optical element 2 ( HOE / DOE2), without going beyond its limits, which provides high efficiency of collimated output optical radiation 6.

Первый оптический элемент 1, указанный в настоящем документе как HOE/DOE1 и который также можно охарактеризовать как вводной оптический элемент, вводит оптическое излучение после рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой в волновод 3. Волновод 3 обеспечивает смешивание оптического излучения для обеспечения высокой степени однородности оптического излучения. По волноводу 3 оптическое излучение передается от первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1) ко второму оптическому элементу 2 (HOE/DOE2). Второй оптический элемент 2, также обозначаемый как HOE/DOE2 и который также можно охарактеризовать как выводной оптический элемент, выполнен с возможностью коллимации оптического излучения, приходящего по волноводу 3, и придания необходимой формы сечения коллимированному пучку оптического излучения.The first optical element 1, referred to herein as HOE / DOE1 and which can also be characterized as an introductory optical element, introduces optical radiation after the optical light diffuser 4 with a given angular aperture into the waveguide 3. The waveguide 3 mixes the optical radiation to ensure a high degree of homogeneity optical radiation. Through the waveguide 3, optical radiation is transmitted from the first optical element 1 (HOE / DOE1) to the second optical element 2 (HOE / DOE2). The second optical element 2, also referred to as HOE / DOE2 and which can also be characterized as an output optical element, is configured to collimate the optical radiation arriving through the waveguide 3 and impart the required cross-sectional shape to the collimated optical radiation beam.

В одном или более вариантах выполнения настоящего изобретения рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой 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 спеклов. При этом падающее оптическое излучение 5 из одного источника оптического излучения, такого как, не ограничиваясь, лазерный диод, распределяется равными частями по множеству вторичных «источников» оптического излучения. Волновод 3 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 3 и смешивается.In one or more embodiments of the present invention, the optical radiation diffuser 4 with a given angular aperture makes it possible to increase the degree of homogeneity of the optical radiation by more than 80% (by converting the optical radiation beam with a Gaussian distribution into a beam with the same intensity distribution, regardless of the coordinate in the cross section of the beam) , and allows for speckle reduction. In this case, the incident optical radiation 5 from one source of optical radiation, such as, but not limited to, a laser diode, is distributed in equal parts over a plurality of secondary "sources" of optical radiation. Waveguide 3 also contributes to ensuring the homogeneity of optical radiation (converting a beam of optical radiation with a Gaussian distribution into a beam with a constant intensity distribution regardless of the coordinate in the cross section of the beam) and eliminating speckles due to the fact that optical radiation from secondary "sources" propagates in the waveguide 3 and mixes.

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 вариантов выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а в качестве рассеивателя 4 оптического излучения используется матовый диффузор с угловой апертурой 5°. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм².Below are several exemplary embodiments of the invention, illustrating possible embodiments of the present invention, as well as confirming the possibility of realizing the purpose of the invention and achieving the claimed technical result. It should be understood that the following exemplary embodiments of the invention do not limit the scope of the invention, as defined by the following claims, in any particular detail. In one embodiment of the present invention, the first optical element 1 and the second optical element 2 are made in the form of volumetric Bragg gratings, the waveguide 3 is a flat glass plate, and a matte diffuser with an angular aperture of 5 ° is used as the optical diffuser 4. In this embodiment, a collimated beam from a semiconductor laser diode with a diameter of 2 mm and a Gaussian energy distribution is converted into a homogeneous beam (more than 80%) with a square cross section of 5 × 5 mm ² .

В другом примерном варианте выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а в качестве рассеивателя 4 оптического излучения используется микролинзовый растр размером 20×20 линз с фокусом 500 мкм и периодом 500 мкм. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии также преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм².In another exemplary embodiment of the present invention, the first optical element 1 and the second optical element 2 are made in the form of volumetric Bragg gratings, the waveguide 3 is a flat glass plate, and a microlens raster with a size of 20 × 20 lenses with a focus of 500 μm is used as the diffuser 4 of optical radiation and a period of 500 microns. In this embodiment, a collimated beam from a semiconductor laser diode with a diameter of 2 mm and a Gaussian energy distribution is also converted into a uniform beam (more than 80%) with a square cross section of 5 × 5 mm ² .

Еще в одном примерном варианте выполнения настоящего изобретения первый оптический элемент 1 и второй оптический элемент 2 выполнены в виде объемных брэгговских решеток, волновод 3 представляет собой плоскую стеклянную пластину, а рассеиватель 4 оптического излучения интегрирован на стадии записи в первый оптический элемент 1 и представляет собой матовый диффузор с угловой апертурой 5°. В данном варианте реализации коллимированный пучок от полупроводникового лазерного диода диаметром 2 мм и гауссовым распределением энергии преобразуется в однородный пучок (более 80%) квадратного сечения 5×5 мм². В данной реализации не требуется согласование матового рассеивателя с первым оптическим элементом 1, снижаются шумы в виде ореола/гало вокруг выходного пучка 6.In yet another exemplary embodiment of the present invention, the first optical element 1 and the second optical element 2 are made in the form of volumetric Bragg gratings, the waveguide 3 is a flat glass plate, and the optical diffuser 4 is integrated into the first optical element 1 at the writing stage and is matte diffuser with an angular aperture of 5 °. In this embodiment, a collimated beam from a semiconductor laser diode with a diameter of 2 mm and a Gaussian energy distribution is converted into a homogeneous beam (more than 80%) with a square cross section of 5 × 5 mm ² . This implementation does not require matching the matte diffuser with the first optical element 1; noise in the form of a halo / halo around the output beam 6 is reduced.

Вводной оптический элемент (HOE/DOE1, первый оптический элемент) обеспечивает компактность устройства и оптическое сопряжение рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и волновода 3. Кроме того, первый оптический элемент 1 (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 1 (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.The introductory optical element (HOE / DOE1, the first optical element) provides compactness of the device and optical coupling of the optical light diffuser 4 with a given angular aperture and the waveguide 3. In addition, the first optical element 1 (HOE / DOE1) transmits narrow spectral bands of the visible optical spectrum corresponding to the operating wavelengths of the display system in which the optical radiation beam expansion device according to the invention is used. The rest of the optical radiation in the visible spectrum is filtered out by the first optical element 1 (HOE / DOE1). Essentially, the rest of the optical radiation can simply pass through the optical system of the device without undergoing changes (zero order), or can be absorbed or diffracted in a different ("inoperative") direction.

Выводной оптический элемент (HOE/DOE2, второй оптический элемент) обеспечивает коллимацию выходного оптического излучения 6 с углом расходимости или сходимости менее 0,25° и необходимую форму сечения пучка выходного оптического излучения 6. То есть в рамках объема настоящего изобретения выходной пучок оптического излучения 6 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 составляет 0,25° или 15 угловых минут.The output optical element (HOE / DOE2, the second optical element) provides collimation of the output optical radiation 6 with an angle of divergence or convergence of less than 0.25 ° and the required cross-sectional shape of the output optical radiation 6. That is, within the scope of the present invention, the output optical radiation beam 6 may not be strictly collimated, there may be weak divergence or convergence, and the size of the beam at a considerable distance will then have transverse dimensions that differ from the dimensions of the beam at the exit from the device according to the invention. In other words, at the exit from the device according to the invention (at a considerable distance from the device) there may be not a cylinder, but a cone of rays, measured in angular measure, the dimension of which is 0.25 ° or 15 arc minutes.

Оптическое излучение, распространяющееся в волноводе 3, после дифракции на выводном оптическом элементе (HOE/DOE2, втором оптическом элементе) выводится из волновода 3 и в высокой степени воспроизводит пучок оптического излучения, который использовался при записи голограммы, и имеет необходимую степень коллимации и форму сечения пучка.The optical radiation propagating in the waveguide 3, after diffraction by the output optical element (HOE / DOE2, the second optical element), is removed from the waveguide 3 and reproduces to a high degree the optical radiation beam that was used in the recording of the hologram, and has the required degree of collimation and the cross-sectional shape beam.

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.The invention has been described using a laser beam from an external source solely for illustration purposes, and in addition to laser radiation, the invention can also use other types of coherent or even incoherent optical radiation from an external or built-in source.

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:A laser beam in the context of the present invention may have different electric field and radiation cross-sectional profiles, among which, by way of non-limiting example:

- гауссов пучок;- Gaussian beam;

- многомодовый пучок;- multimode beam;

- цилиндрический пучок;- cylindrical beam;

- супер-гауссов пучок (пучок кольцевого сечения);- super-gaussian beam (beam with an annular section);

- пучок Лагерра-Гаусса.- Laguerre-Gauss beam.

В конкретном иллюстративном примере, который служит исключительно для пояснения варианта выполнения изобретения, но не для ограничения его объема, пучок падающего когерентного оптического излучения 5 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 5, 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.In a specific illustrative example, which serves solely to explain an embodiment of the invention, but not to limit its scope, the incident coherent optical radiation beam 5 in the context of the invention can be characterized by a certain distribution in the cross section of three components - blue (wavelength about 460 nm), red (wavelength about 640 nm) and green (wavelength about 515 nm). It should be noted that the distribution of the three components of the optical radiation in the cross section of the incident optical radiation beam 5, described above, is only one of the possible variants of the distribution of the components and wavelengths. Many other possible distribution options will become apparent to those skilled in the art upon reading this disclosure.

К преимуществам, обеспечиваемым оптической системой, лежащей в основе устройства для 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.The advantages provided by the optical system underlying the device for expanding the beam of coherent optical radiation according to the invention include the possibility of using the device with different intensity profiles of the incident optical radiation beam. Thus, there is no need to use different devices for optical radiation sources with different intensity distributions.

Устройство расширения пучка когерентного оптического излучения согласно изобретению позволяет сохранить одинаковую однородность, форму сечения пучка и пространственную когерентность пучка выходного оптического излучения 6 при различных источниках падающего оптического излучения на входе (входного оптического излучения 5). Кроме того, как отмечено выше, в выходном оптическом излучении 6 изобретение обеспечивает эффект подавления формирования спеклов. Также обеспечивается улучшенная цветовая гамма формируемого голографического изображения, поляризация оптического излучения, что позволяет сформировать очень реалистичное трехмерное изображение.The device for expanding the beam of coherent optical radiation according to the invention allows maintaining the same homogeneity, beam cross-sectional shape and spatial coherence of the beam of output optical radiation 6 with different sources of incident optical radiation at the input (input optical radiation 5). In addition, as noted above, in the optical output 6, the invention provides a speckle suppression effect. It also provides an improved color gamut of the formed holographic image, polarization of optical radiation, which allows you to form a very realistic three-dimensional image.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предложен способ расширения пучка когерентного оптического излучения, проиллюстрированный на Фиг. 4. Способ реализуется устройством для расширения пучка когерентного оптического излучения в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения и содержит следующие этапы.In accordance with a second aspect of the present invention, there is provided a method for expanding a beam of coherent optical radiation illustrated in FIG. 4. The method is implemented by a device for expanding a beam of coherent optical radiation in accordance with the first aspect of the present invention and comprises the following steps.

На этапе S1 рассеивают падающее когерентное оптическое излучение 5 посредством рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой, описанного выше в отношении первого аспекта настоящего изобретения. Рассеиватель 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой размножает пучок падающего оптического излучения 5 с гауссовым распределением, то есть раскладывает пучок падающего оптического излучения 5 на множество пучков оптического излучения. В одном или более вариантах выполнения падающее когерентное оптическое излучение может5 представлять собой лазерное излучение с одним из различных профилей распределения электрического поля и излучения в поперечном сечении, описанных выше.In step S1, the incident coherent optical radiation 5 is scattered by the optical lens 4 with a predetermined angular aperture described above with respect to the first aspect of the present invention. The diffuser 4 of optical radiation with a given angular aperture multiplies the beam of incident optical radiation 5 with a Gaussian distribution, that is, it decomposes the beam of incident optical radiation 5 into a plurality of beams of optical radiation. In one or more embodiments, the incident coherent optical radiation may be laser radiation with one of the different electric field and radiation cross-sectional profiles described above.

На этапе S2 вводят оптическое излучение в волновод 3 посредством первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1).In step S2, optical radiation is introduced into the waveguide 3 through the first optical element 1 (HOE / DOE1).

На этапе S3 направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2). В одном или более вариантах выполнения это может осуществляться посредством волновода 3, в котором оптическое излучение, направляемое из первого оптического элемента 1 во второй оптический элемент 2, претерпевает неоднократное полное внутреннее отражение (соответствующие пучки излучения, претерпевающего полное внутреннее отражение в волноводе, обозначены на виде «А» на Фиг. 2 римскими цифрами I, II). Оптическое излучение от вторичных «источников», полученных в результате разложения пучка падающего оптического излучения на множество пучков падающего оптического излучения 5, распространяется в волноводе 3 и смешивается, повышая однородность оптического излучения.In step S3, optical radiation is directed into the plane of the second optical element 2 (HOE / DOE2). In one or more embodiments, this can be done by means of a waveguide 3, in which the optical radiation directed from the first optical element 1 to the second optical element 2 undergoes multiple total internal reflection (the corresponding beams of radiation undergoing total internal reflection in the waveguide are indicated in the view "A" in Fig. 2 in Roman numerals I, II). Optical radiation from secondary "sources" obtained as a result of the decomposition of the beam of incident optical radiation into a plurality of beams of incident optical radiation 5, propagates in the waveguide 3 and mixes, increasing the homogeneity of the optical radiation.

На этапе S4 коллимируют и выводят оптическое излучение из волновода 3 посредством второго оптического элемента 2 (HOE/DOE2) с сохранением когерентности излучения. Коллимация оптического излучения во втором оптическом элементе 2 (HOE/DOE2) реализуется за счет дифракции излучения на втором оптическом элементе 2 (HOE/DOE2), которая восстанавливает или, другими словами, формирует коллимированный пучок.In step S4, optical radiation is collimated and outputted from the waveguide 3 by means of the second optical element 2 (HOE / DOE2) while maintaining the coherence of the radiation. Collimation of optical radiation in the second optical element 2 (HOE / DOE2) is realized due to the diffraction of radiation on the second optical element 2 (HOE / DOE2), which restores or, in other words, forms a collimated beam.

Для реализации коллимации оптического излучения второй оптический элемент 2 (HOE/DOE2) может быть получен либо расчетным путем и затем изготовлением, либо методом записи/регистрации картины, полученной в результате интерференции между двумя пучками - идеально коллимированным эталонным пучком, который впоследствии восстанавливается, и пучком, который распространяется по волноводу 3 после рассеивателя 4 оптического излучения с заданной угловой апертурой и первого оптического элемента 1 (HOE/DOE1).To implement collimation of optical radiation, the second optical element 2 (HOE / DOE2) can be obtained either by calculation and then fabrication, or by recording / recording a pattern obtained as a result of interference between two beams - a perfectly collimated reference beam, which is subsequently restored, and the beam , which propagates along the waveguide 3 after the optical light diffuser 4 with a given angular aperture and the first optical element 1 (HOE / DOE1).

Выведение оптического излучения посредством второго оптического элемента 2 (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 2 (HOE/DOE2)), может непосредственно освещать экраны, жидкокристаллические (ЖК) панели, либо матрицы, формирующие изображение.The extraction of optical radiation by means of the second optical element 2 (HOE / DOE2), depending on the specific application of the device for expanding the beam of coherent optical radiation according to the invention, can be carried out on any elements external to the device, as a non-limiting example, for further transmission, transformation of radiation, into elements-redirectors - lenses, mirrors. In other embodiments of the present invention, the optical radiation output from the device according to the invention (via the second optical element 2 (HOE / DOE2)) may directly illuminate screens, liquid crystal (LCD) panels, or imaging matrices.

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.The method and device for expanding a beam of coherent optical radiation according to the invention can be used as an illumination element for the formation of holographic and / or other three-dimensional images in various fields of application. As non-limiting examples, the present invention can be used in various display devices such as monitors and televisions. The invention can be used to form images in augmented or virtual reality (AR / VR) systems for various applications, in helmet-mounted display devices, indicators on the windshield of vehicles, systems for projecting information on the windshield of vehicles, fingerprint scanners. These areas of application of the present invention are only examples, but do not limit the scope of the present invention. Many other uses of the present invention will be apparent to those skilled in the art.

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.Specialists in the art will understand that the above described and shown in the drawings are only some of the possible examples of techniques and material and technical means, which may implement the embodiments of the present invention. The foregoing detailed description of embodiments of the invention is not intended to limit or define the scope of the present invention.

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.Other embodiments that may fall within the scope of the present invention may be contemplated by those skilled in the art upon carefully reading the above description with reference to the accompanying drawings, and all such obvious modifications, changes and / or equivalent substitutions are considered to be within the scope of the present invention. All prior art sources cited and discussed herein are hereby incorporated into this description by reference as applicable.

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.While the present invention has been described and illustrated with reference to various embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various changes may be made in its form and specific details without departing from the scope of the present invention, which is defined only the following claims and their equivalents.

Claims

1. Устройство для расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащее:1. A device for expanding a beam of coherent optical radiation, containing:

рассеиватель оптического излучения, первый оптический элемент и второй оптический элемент, волновод,optical diffuser, first optical element and second optical element, waveguide,

при этом рассеиватель оптического излучения, выполненный с возможностью рассеивания падающего оптического излучения, имеет заданную угловую апертуру,wherein the optical radiation diffuser, configured to scatter the incident optical radiation, has a predetermined angular aperture,

при этом первый оптический элемент выполнен с возможностью ввода оптического излучения, рассеянного рассеивателем оптического излучения, с заданной угловой апертурой в волновод и направления пучка оптического излучения с заданной формой сечения, однородностью и низким контрастом спеклов в плоскость второго оптического элемента; иwherein the first optical element is configured to input optical radiation scattered by the optical radiation scatterer with a given angular aperture into the waveguide and direct the optical radiation beam with a given cross-sectional shape, uniformity and low speckle contrast into the plane of the second optical element; and

при этом волновод выполнен с возможностью направления пучка оптического излучения с заданной формой сечения, однородностью и низким контрастом спеклов от первого оптического элемента ко второму оптическому элементу,in this case, the waveguide is configured to direct an optical radiation beam with a given cross-sectional shape, uniformity and low contrast of speckles from the first optical element to the second optical element,

при этом второй оптический элемент выполнен с возможностью коллимации пучка оптического излучения и его вывода из устройства с сохранением когерентности пучка оптического излучения, заданной формы сечения, однородности в пределах всей апертуры и низкого контраста спеклов.the second optical element is made with the possibility of collimating the optical radiation beam and its output from the device while maintaining the coherence of the optical radiation beam, a given cross-sectional shape, uniformity within the entire aperture and low contrast of speckles.

2. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE).2. The apparatus of claim. 1, wherein at least one of the first optical element and the second optical element is a diffractive optical element (DOE).

3. Устройство по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE).3. The apparatus of claim. 1, wherein at least one of the first optical element and the second optical element is a holographic optical element (HOE).

4. Устройство по п. 1, в котором рассеиватель оптического излучения интегрирован в структуру первого оптического элемента.4. The device of claim. 1, wherein the optical radiation diffuser is integrated into the structure of the first optical element.

5. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один источник падающего оптического излучения.5. The device according to claim 1, further comprising at least one source of incident optical radiation.

6. Устройство по п. 5, в котором по меньшей мере один источник падающего оптического излучения представляет собой лазерный диод.6. The apparatus of claim. 5, wherein the at least one source of incident optical radiation is a laser diode.

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.7. The device of claim. 1, in which at least one of the first optical element and the second optical element is made in the form of volumetric Bragg gratings.

8. Устройство по п. 1, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в виде микролинзового растра (MLA).8. The device according to claim. 1, in which the optical diffuser with a given angular aperture is made in the form of a microlens raster (MLA).

9. Устройство по п. 1, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой выполнен в виде матового диффузора.9. The device according to claim. 1, in which the optical diffuser with a given angular aperture is made in the form of a matte diffuser.

10. Устройство по п. 1, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой имеет угловую апертуру около 5°.10. The apparatus of claim. 1, wherein the optical radiation diffuser with a predetermined angular aperture has an angular aperture of about 5 °.

11. Устройство по п. 1, в котором волновод выполнен в виде подложки из любого оптически прозрачного материала с тонкопленочным однослойным покрытием или без него, либо с многослойным пленочным покрытием на одной или обеих его поверхностях.11. The device according to claim. 1, in which the waveguide is made in the form of a substrate of any optically transparent material with a thin-film single-layer coating or without it, or with a multilayer film coating on one or both of its surfaces.

12. Способ расширения пучка когерентного оптического излучения, содержащий этапы, на которых:12. A method for expanding a beam of coherent optical radiation, comprising the steps of:

рассеивают падающее когерентное оптическое излучение посредством рассеивателя оптического излучения с заданной угловой апертурой;scattering the incident coherent optical radiation by means of an optical radiation diffuser with a given angular aperture;

вводят оптическое излучение в волновод посредством первого оптического элемента;optical radiation is introduced into the waveguide by means of the first optical element;

направляют оптическое излучение в плоскость второго оптического элемента с заданной формой сечения, однородностью пучка оптического излучения и сниженным контрастом спеклов;directing optical radiation into the plane of the second optical element with a given cross-sectional shape, homogeneity of the optical radiation beam and reduced speckle contrast;

коллимируют оптическое излучение во втором оптическом элементе и выводят оптическое излучение из второго оптического элемента с сохранением когерентности пучка оптического излучения, заданной формы сечения, однородности в пределах всей апертуры и низкого контраста спеклов.collimating optical radiation in the second optical element and outputting optical radiation from the second optical element while maintaining the coherence of the optical radiation beam, a given sectional shape, uniformity within the entire aperture and low contrast of speckles.

13. Способ по п. 12, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой дифракционный оптический элемент (DOE).13. The method of claim 12, wherein at least one of the first optical element and the second optical element is a diffractive optical element (DOE).

14. Способ по п. 12, в котором по меньшей мере один из первого оптического элемента и второго оптического элемента представляет собой голографический оптический элемент (HOE).14. The method of claim 12, wherein at least one of the first optical element and the second optical element is a holographic optical element (HOE).

15. Способ по п. 12, в котором рассеиватель оптического излучения с заданной угловой апертурой интегрирован в структуру первого оптического элемента.15. The method according to claim 12, wherein the optical radiation diffuser with a predetermined angular aperture is integrated into the structure of the first optical element.

16. Способ по п. 12, в котором направление оптического излучения в плоскость второго оптического элемента осуществляется из плоскости первого оптического элемента посредством волновода, выполненного с возможностью направления пучка оптического излучения с заданной формой сечения, однородностью и низким контрастом спеклов от первого оптического элемента ко второму оптическому элементу.16. The method according to claim 12, in which the direction of optical radiation in the plane of the second optical element is carried out from the plane of the first optical element by means of a waveguide configured to direct a beam of optical radiation with a given cross-sectional shape, uniformity and low contrast of speckles from the first optical element to the second optical element.

17. Способ по п. 12, в котором коллимация оптического излучения обеспечивает пучок выходного оптического излучения с углом расходимости или сходимости менее приблизительно 0,25°.17. The method of claim 12, wherein the collimation of the optical radiation provides a beam of output optical radiation with an angle of divergence or convergence of less than about 0.25 °.