Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability test

DUAN Xiangrui; FEI Aoxin; LU Zhiyi; PENG Yulang; LE Zichun

doi:10.37188/OPE.20233104.0459

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Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability test

Modern Applied Optics | 更新时间：2026-09-12

- Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability test
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 4, Pages: 459-469(2023)
- 作者机构：
  
  1.浙江工业大学理学院，浙江杭州 310023
  2.杭州谱育科技发展有限公司，浙江杭州 311121
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233104.0459
  CLC： O439
- Received：17 August 2022，
  
  Revised：2022-10-30，
  
  Published：25 February 2023
- 稿件说明：
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段祥瑞,费澳鑫,卢智易等.履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验[J].光学精密工程,2023,31(04):459-469.

DUAN Xiangrui,FEI Aoxin,LU Zhiyi,et al.Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability test[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(04):459-469.
段祥瑞,费澳鑫,卢智易等.履带式运动柔性衍射光学器件抑制激光散斑及其耐久性实验[J].光学精密工程,2023,31(04):459-469. DOI： 10.37188/OPE.20233104.0459.

DUAN Xiangrui,FEI Aoxin,LU Zhiyi,et al.Tracked motion flexible diffractive optical elements suppressing laser speckle and its durability test[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(04):459-469. DOI： 10.37188/OPE.20233104.0459.

摘要

为了有效抑制激光散斑，真正实现激光显示和成像系统的大色域、高亮度和超优画质，提出了基于履带式运动柔性衍射光学器件（Diffractive Optical Elements， DOE）的散斑抑制方法，对柔性衍射光学器件的设计、制造、耐久性和散斑抑制效果进行了研究。首先设计了柔性衍射光学器件的光学结构，并描述了履带式运动柔性衍射光学器件形成动态二维衍射编码的机理；接下来介绍了柔性衍射光学器件的模板制备、热压成型、连接成环的工艺方法；之后搭建激光投影显示系统对所研制的聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC）和聚丙烯（Polypropylene， PP）两种材料的柔性衍射光学器件的散斑对比度和耐久性进行实验研究。实验结果表明，提出的基于履带式运动柔性衍射光学器件的激光散斑抑制方法，可将红绿蓝三色激光的散斑对比度降低到5%以下，同时系统具有小型化、低功耗的优点。在长达三十天的耐久性实验中，聚氯乙烯和聚丙烯两种材料的柔性衍射光学器件都没有明显形变和散斑抑制效果的衰减，且PP材料柔性DOE比PVC材料柔性DOE散斑抑制效果更明显、耐久性也更好。满足大色域、高亮度、超优画质的要求，并具有小型化、低功耗、高可靠的优点。

Abstract

To effectively suppress laser speckle and truly achieve a large color gamut， high brightness， and excellent picture quality of laser display and imaging systems， a speckle suppression method based on tracked motion flexible diffractive optical elements （DOEs） is proposed and demonstrated. The design， manufacture， durability， and speckle suppression effect of the flexible DOE loop are studied. First， the optical structure design of the flexible DOE is presented， and the mechanism of dynamic two-dimensional diffraction encoding by the tracked moving flexible DOE loop is described. Next， the preparation of the working stamper， hot pressing， and ring-joining processes of the flexible DOE loop are introduced. A laser projection system was set up to test speckle contrast and durability of flexible DOEs composed of polyvinyl chloride （PVC） and polypropylene （PP）. The experimental results show that the proposed laser speckle suppression method based on a flexible DOE loop with tracked motion has the advantages of lower speckle contrast， smaller size， and lower power consumption. The speckle contrast can be reduced to less than 5% for red， green， and blue lasers. During the 30 day experiments， the PVC and PP flexible DOE loops did not have evident deformation and attenuation of the speckle suppression effect. Furthermore， the PP flexible DOE loop had a more apparent and improved durability compared with the PVC flexible DOE loop. The proposed method satisfies the requirements of large color gamut， high brightness， and excellent picture quality and has the advantages of miniaturization， low power consumption， and high reliability.

关键词

Keywords

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CHEN H A ， PAN J W ， YANG Z P . Speckle reduction using deformable mirrors with diffusers in a laser pico-projector ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 15 ）： 18140 - 18151 . doi: 10.1364/oe.25.018140 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.018140

LIANG C Y ， ZHANG W ， RUI D W ， et al . High-performance laser projection display illumination system based on a diffractive optical element ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 10 ）： 2810 - 2815 . doi: 10.1364/ao.56.002810 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.002810

LAPCHUK A ， PRYGUN O ， FU M L ， et al . Dispersion of speckle suppression efficiency for binary DOE structures： spectral domain and coherent matrix approaches ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 13 ）： 14575 - 14597 . doi: 10.1364/oe.25.014575 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.014575

AKŞIT K ， ELDES O ， VISWANATHAN S ， et al . Portable 3D laser projector using mixed polarization technique ［J］. Journal of Display Technology ， 2012 ， 8 （ 10 ）： 582 - 589 . doi: 10.1109/jdt.2012.2205664 http://dx.doi.org/10.1109/jdt.2012.2205664

GORCZYNSKA I ， MIGACZ J V ， ZAWADZKI R J ， et al . Comparison of amplitude-decorrelation， speckle-variance and phase-variance OCT angiography methods for imaging the human retina and choroid ［J］. Biomedical Optics Express ， 2016 ， 7 （ 3 ）： 911 - 942 . doi: 10.1364/boe.7.000911 http://dx.doi.org/10.1364/boe.7.000911

SCHMITT J M ， XIANG S H ， YUNG K M . Speckle in optical coherence tomography ［J］. Journal of Biomedical Optics ， 1999 ， 4 （ 1 ）： 95 - 105 . doi: 10.1117/1.429925 http://dx.doi.org/10.1117/1.429925

LYSOV Y ， BARSKY V ， URASOV D ， et al . Microarray analyzer based on wide field fluorescent microscopy with laser illumination and a device for speckle suppression ［J］. Biomedical Optics Express ， 2017 ， 8 （ 11 ）： 4798 - 4810 . doi: 10.1364/boe.8.004798 http://dx.doi.org/10.1364/boe.8.004798

MISHRA D ， CHAUDHURY S ， SARKAR M ， et al . Edge probability and pixel relativity-based speckle reducing anisotropic diffusion ［J］. IEEE Transactions on Image Processing ， 2018 ， 27 （ 2 ）： 649 - 664 . doi: 10.1109/tip.2017.2762590 http://dx.doi.org/10.1109/tip.2017.2762590

MACKERROW E P ， SCHMITT M J ， THOMPSON D C . Effect of speckle on lidar pulse-pair ratio statistics ［J］. Applied Optics ， 1997 ， 36 （ 33 ）： 8650 - 8669 . doi: 10.1364/ao.36.008650 http://dx.doi.org/10.1364/ao.36.008650

STARK A W ， WONG E ， WEIGEL D ， et al . Subjective speckle suppression in laser-based stereo photogrammetry ［J］. Optical Engineering ， 2016 ， 55 （ 12 ）： 121713 . doi: 10.1117/1.oe.55.12.121713 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.55.12.121713

GOODMANJ W . Speckle Phenomena in Optics ： Theory and Applications ［M］. Roberts and Company Publishers ， 2007 .

TONG Z M ， AKRAM M N ， CHEN X Y . Speckle reduction using orthogonal arrays in laser projectors ［J］. Applied Optics ， 2010 ， 49 （ 33 ）： 6425 - 6429 . doi: 10.1364/ao.49.006425 http://dx.doi.org/10.1364/ao.49.006425

ZHAO P F ， GAO W H . Illumination angle three-dimensional model for speckle noise suppression in laser projector ［J］. Journal of Display Technology ， 2016 ， 12 （ 5 ）： 442 - 446 . doi: 10.1109/jdt.2015.2498283 http://dx.doi.org/10.1109/jdt.2015.2498283

GAO W H ， TONG Z M ， KARTASHOV V ， et al . Replacing two-dimensional binary phase matrix by a pair of one-dimensional dynamic phase matrices for laser speckle reduction ［J］. Journal of Display Technology ， 2012 ， 8 （ 5 ）： 291 - 295 . doi: 10.1109/jdt.2011.2181333 http://dx.doi.org/10.1109/jdt.2011.2181333

LIANG C Y ， ZHANG W ， WU Z H ， et al . Beam shaping and speckle reduction in laser projection display systems using a vibrating diffractive optical element ［J］. Current Optics and Photonics ， 2017 ， 1 （ 1 ）： 23 - 28 . doi: 10.3807/copp.2017.1.1.023 http://dx.doi.org/10.3807/copp.2017.1.1.023

SUN M J ， LU Z K . Speckle suppression with a rotating light pipe ［J］. Optical Engineering ， 2010 ， 49 （ 2 ）： 024202 . doi: 10.1117/1.3314310 http://dx.doi.org/10.1117/1.3314310

HSU W F ， WENG M H . Compact holographic projection display using liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator ［J］. Materials （Basel， Switzerland）， 2016 ， 9 （ 9 ）： 768 . doi: 10.3390/ma9090768 http://dx.doi.org/10.3390/ma9090768

CHANG Y S ， HSU W F ， HSU K H ， et al . Full-frame projection displays using a liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator for beam shaping and speckle suppression ［J］. Applied Optics ， 2014 ， 53 （ 27 ）： G214 - G221 . doi: 10.1364/ao.53.00g214 http://dx.doi.org/10.1364/ao.53.00g214

ZHAOMIN ， TONG . Principle， design and fabrication of a passive binary micro-mirror array （BMMA） for speckle reduction in grating light valve （GLV） based laser projection displays ［J］. Sensors and Actuators A： Physical ， 2014 ， 210 ： 209 - 216 . doi: 10.1016/j.sna.2014.01.031 http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2014.01.031

ZHAOMIN ， TONG . A ferroelectric liquid crystal spatial light modulator encoded with orthogonal arrays and its optimized design for laser speckle reduction ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2017 ， 90 ： 173 - 178 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2016.10.014 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2016.10.014

PAN F ， YANG L Z ， XIAO W . Coherent noise reduction in digital holographic microscopy by averaging multiple holograms recorded with a multimode laser ［J］. Optics Express ， 2017 ， 25 （ 18 ）： 21815 - 21825 . doi: 10.1364/oe.25.021815 http://dx.doi.org/10.1364/oe.25.021815

LAPCHUK A ， PASHKEVICH G ， PRYGUN O ， et al . Very efficient speckle suppression in the entire visible range by one two-sided diffractive optical element ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 5 ）： 1481 - 1488 . doi: 10.1364/ao.56.001481 http://dx.doi.org/10.1364/ao.56.001481

LAPCHUK A ， GORBOV I ， LE Z C ， et al . Experimental demonstration of a flexible DOE loop with wideband speckle suppression for laser pico-projectors ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 20 ）： 26188 - 26195 . doi: 10.1364/oe.26.026188 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.026188

WANG L L ， TSCHUDI T ， HALLDÓRSSON T ， et al . Speckle reduction in laser projection systems by diffractive optical elements ［J］. Applied Optics ， 1998 ， 37 （ 10 ）： 1770 - 1775 . doi: 10.1364/ao.37.001770 http://dx.doi.org/10.1364/ao.37.001770

TRAN T K T ， SUBRAMANIAM S ， LE C P ， et al . Design， modeling， and characterization of a microelectromechanical diffuser device for laser speckle reduction ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2014 ， 23 （ 1 ）： 117 - 127 . doi: 10.1109/jmems.2013.2262598 http://dx.doi.org/10.1109/jmems.2013.2262598

TRAN T K T ， CHEN X Y ， SVENSEN ， et al . Speckle reduction in laser projection using a dynamic deformable mirror ［J］. Optics Express ， 2014 ， 22 （ 9 ）： 11152 - 11166 . doi: 10.1364/oe.22.011152 http://dx.doi.org/10.1364/oe.22.011152

A. LAPCHUK . Impact of aberrations on speckle suppression efficiency on moving a DOE inside the optical system ［J］. Displays ， 2016 ， 43 ： 1 - 8 . doi: 10.1016/j.displa.2016.03.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.displa.2016.03.003

LAPCHUK A ， PASHKEVICH G A ， PRYGUN O V ， et al . Experiment evaluation of speckle suppression efficiency of 2D quasi-spiral M-sequence-based diffractive optical element ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 28 ）： E47 - E54 . doi: 10.1364/ao.54.000e47 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.000e47

LAPCHUK A ， YURLOV V ， KRYUCHYN A ， et al . Impact of speed， direction， and accuracy of diffractive optical element shift on efficiency of speckle suppression ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 13 ）： 4070 - 4076 . doi: 10.1364/ao.54.004070 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.004070

LAPCHUK A ， KRYUCHYN A ， PETROV V ， et al . Optimal speckle suppression in laser projectors using a single two-dimensional Barker code diffractive optical element ［J］. Journal of the Optical Society of America A ， 2013 ， 30 （ 2 ）： 227 - 232 . doi: 10.1364/josaa.30.000227 http://dx.doi.org/10.1364/josaa.30.000227

THOMAS W ， MIDDLEBROOK C . Non-moving Hadamard matrix diffusers for speckle reduction in laser pico-projectors ［J］. Journal of Modern Optics ， 2014 ， 61 （ sup1 ）： S74 - S80 . doi: 10.1080/09500340.2014.952693 http://dx.doi.org/10.1080/09500340.2014.952693

REDDING B ， CHOMA M A ， CAO H . Speckle-free laser imaging using random laser illumination ［J］. Nature Photonics ， 2012 ， 6 （ 6 ）： 355 - 359 . doi: 10.1038/nphoton.2012.90 http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2012.90

CHELLAPPAN K V ， ERDEN E ， UREY H . Laser-based displays： a review ［J］. Applied Optics ， 2010 ， 49 （ 25 ）： F79 - F98 . doi: 10.1364/ao.49.000f79 http://dx.doi.org/10.1364/ao.49.000f79

TRISNADI J I . Hadamard speckle contrast reduction ［J］. Optics Letters ， 2004 ， 29 （ 1 ）： 11 - 13 . doi: 10.1364/ol.29.000011 http://dx.doi.org/10.1364/ol.29.000011

AN S ， LAPCHUK A ， YURLOV V ， et al . Speckle suppression in laser display using several partially coherent beams ［J］. Optics Express ， 2009 ， 17 （ 1 ）： 92 - 103 . doi: 10.1364/oe.17.000092 http://dx.doi.org/10.1364/oe.17.000092

ISHIKAWA H ， SHIBASE A ， WENG W ， et al . Reduction of laser speckle noise by using particle-dispersed liquid crystals ［J］. Molecular Crystals and Liquid Crystals ， 2017 ， 646 （ 1 ）： 93 - 98 . doi: 10.1080/15421406.2017.1284540 http://dx.doi.org/10.1080/15421406.2017.1284540

VERSCHAFFELT G ， ROELANDT S ， MEURET Y ， et al . Speckle disturbance limit in laser-based cinema projection systems ［J］. Scientific Reports ， 2015 ， 5 ： 14105 . doi: 10.1038/srep14105 http://dx.doi.org/10.1038/srep14105

REN Y H ， SI J H ， TAN W J ， et al . Speckle suppression of OKG imaging in highly turbid medium using SC-assisted fundamental frequency ［J］. IEEE Photonics Technology Letters ， 2017 ， 29 （ 1 ）： 106 - 109 . doi: 10.1109/lpt.2016.2629498 http://dx.doi.org/10.1109/lpt.2016.2629498

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