“十四五”以來，基于自發(fā)光顯示的微投影顯示光學(xué)系統(tǒng)成為了研究熱點(diǎn)，國(guó)家科技部于2022年11月在“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點(diǎn)專項(xiàng)中對(duì)“高亮度Micro-LED投影顯示關(guān)鍵技術(shù)研究（No.2022YFB3603500）”進(jìn)行立項(xiàng)研究，項(xiàng)目在行業(yè)內(nèi)首次提出將主動(dòng)發(fā)光Micro-LED微顯示屏替代卡脖子的光源和光調(diào)制器芯片，顛覆當(dāng)前投影系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理，實(shí)現(xiàn)投影顯示核心部件的全國(guó)產(chǎn)化。
微型發(fā)光二極管（Micro-LED，μLED）在亮度、壽命、分辨率和效率等方面的優(yōu)異特性，并且契合超微型投影、近眼顯示等設(shè)備的發(fā)展方向，使其被視為未來超微型投影顯示光學(xué)引擎光源和像源整合的最佳選擇。但是將μLED直接作為投影光源和像源時(shí)，其與投影鏡頭存在光瞳匹配，并且還存在系統(tǒng)光能利用率較低的問題，需要權(quán)衡像質(zhì)、效率等光學(xué)性能和系統(tǒng)體積。
近日，福州大學(xué)、閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室郭太良和嚴(yán)群教授團(tuán)隊(duì)的陳恩果教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、Scopus收錄，中文核心期刊）2023年第7期發(fā)表了題為“超微型Micro-LED投影顯示光學(xué)引擎設(shè)計(jì)研究”的研究文章，并被選作當(dāng)期封面文章。
該文章設(shè)計(jì)了基于μLED的超微型投影顯示光學(xué)引擎，體積僅有18.35 mm³ ，且鏡頭的MTF值超過0.57，較好地實(shí)現(xiàn)微投影系統(tǒng)體積與像質(zhì)的平衡；同時(shí)研究了μLED發(fā)散角度與鏡頭光瞳接收角的匹配關(guān)系，對(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高光效的微投影光學(xué)系統(tǒng)提供了理論支持；論文還基于福州大學(xué)自主開發(fā)的藍(lán)光μLED顯示屏搭建了微投影光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)μLED投影原理進(jìn)行了初步驗(yàn)證。該系統(tǒng)可為自發(fā)光微型投影系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)提供參考，未來有望應(yīng)用于搭載超微型投影光學(xué)引擎的近眼顯示設(shè)備。
▍μLED微投影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
單片式μLED微投影系統(tǒng)僅由單片μLED顯示芯片和微投影鏡頭組成，μLED光源發(fā)出光束，經(jīng)微投影鏡頭投射到屏幕或者系統(tǒng)下一接收面（如AR的組合器）。
圖2: μLED微投影光學(xué)系統(tǒng)原理圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.2
μLED微投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于體積和像質(zhì)的均衡。因此在顯示芯片部分，文章采用目前已商業(yè)化的0.13英寸紅光μLED微顯示器作為微投影顯示系統(tǒng)的光源和像源單元，該μLED顯示芯片的效發(fā)光區(qū)域大小為2.64 mm×2.02 mm，單個(gè)像素間距為4 μm，分辨率為640×480，最高亮度可達(dá)400, 000 cd/m²，發(fā)光波長(zhǎng)為625 nm。鏡頭的設(shè)計(jì)是微投影系統(tǒng)的核心，文章設(shè)計(jì)了4片球面玻璃組成的微投影鏡頭，經(jīng)優(yōu)化后最終光路圖如圖3所示，該鏡頭的數(shù)值孔徑NA值為0.14，鏡頭長(zhǎng)度（OAL）和鏡頭后截距（BFL）大小分別為1.3 mm和3.15 mm，經(jīng)計(jì)算最終系統(tǒng)總體積約為18.35 mm³。
圖3: μLED微投影鏡頭的光路圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.3
文章還對(duì)鏡頭的光學(xué)性能進(jìn)行分析，在中心視場(chǎng)的MTF值在截止頻率121 lp/mm處超過0.57；在各視場(chǎng)下點(diǎn)列圖的彌散斑均方根半徑小于2.7 μm，系統(tǒng)的最大視場(chǎng)畸變大小僅為1.5%。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該微投影系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量，較好地實(shí)現(xiàn)了體積與像質(zhì)的均衡。
圖4: μLED微投影鏡頭的MTF曲線圖
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.4
圖5: 系統(tǒng)像差圖。（a）點(diǎn)列圖；（b）場(chǎng)曲畸變曲線
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.5
▍μLED微投影系統(tǒng)光源特性研究
μLED光源近似為朗伯光源，光強(qiáng)在空間呈余弦分布，圖6（a）、（b）分別顯示了μLED顯示芯片中單個(gè)像素在平面內(nèi)的發(fā)光示意圖及空間光強(qiáng)和光通量隨角度分布關(guān)系。μLED光分布導(dǎo)致嚴(yán)重的像素間串?dāng)_而影響成像質(zhì)量，并且在考慮系統(tǒng)光學(xué)性能損耗后，只有極少部分光能量能投射到目標(biāo)面上，從而帶來較低的光能利用率。
圖6: （a）平面內(nèi)μLED芯片單個(gè)像素發(fā)光示意圖；（b）單個(gè)像素光強(qiáng)和光通量隨角度分布的關(guān)系
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.6
如圖7所示，根據(jù)μLED微投影系統(tǒng)中的光能利用關(guān)系，提升系統(tǒng)光能利用率的關(guān)鍵是通過鏡頭收集并有效投射更多的光能。目前最有效的辦法是對(duì)μLED光源進(jìn)行預(yù)先整形處理從而將更多的光源引導(dǎo)到鏡頭中，因此有必要進(jìn)一步研究微投影系統(tǒng)中光源發(fā)散角與鏡頭光瞳接收角的能量匹配關(guān)系。
圖7: μLED微投影系統(tǒng)中的光能利用關(guān)系
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.7
文章通過研究固定孔徑角投影鏡頭對(duì)不同發(fā)散半角μLED光源的耦合效率及系統(tǒng)效率的關(guān)系，確定微投影光學(xué)系統(tǒng)中最佳的光源發(fā)散角度，以達(dá)到光源發(fā)散角與微投影鏡頭光瞳接收角的匹配。如圖8所示，當(dāng)μLED光源的發(fā)散半角小于10°時(shí)，鏡頭的耦合效率和系統(tǒng)效率始終維持在20.5%附近；而當(dāng)發(fā)散半角增大到10°之后，兩組效率值會(huì)大幅下降�？紤]到系統(tǒng)效率與系統(tǒng)體積的關(guān)系，20°（半角為±10°）的光源發(fā)散角為此微投影光學(xué)系統(tǒng)的最佳光源角度。
圖8: 固定孔徑角的鏡頭對(duì)不同發(fā)散半角的耦合效率和系統(tǒng)效率曲線
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.8
▍原理驗(yàn)證
文章基于福州大學(xué)自主開發(fā)的藍(lán)光μLED顯示屏搭建了微投影光學(xué)系統(tǒng)樣機(jī)，對(duì)μLED投影顯示原理進(jìn)行了初步驗(yàn)證。圖9（a）所示的是μLED微顯示芯片及其投影鏡頭，圖9（b）是投影屏幕上顯示的文字圖案，較好地驗(yàn)證了本文工作的可行性。
圖9: μLED微投影光學(xué)系統(tǒng)樣機(jī)。（a）微投影樣機(jī)結(jié)構(gòu)；（b）樣機(jī)投影圖案
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.9
▍結(jié)論與展望
針對(duì)當(dāng)前微投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率不高的缺陷，本文設(shè)計(jì)了基于μLED超微型投影光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的體積僅為18.35 mm³，鏡頭MTF的值超過0.57。文章還探討了μLED顯示芯片的發(fā)散角度微投影鏡頭光瞳接收角的匹配關(guān)系，確定20°的μLED顯示芯片光源發(fā)散角為所設(shè)計(jì)微投影光學(xué)系統(tǒng)的最佳光源角度，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高光效的微投影系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。文章所設(shè)計(jì)的超微型μLED投影顯示光學(xué)引擎在系統(tǒng)體積與成像像質(zhì)之間取得了較好的權(quán)衡，未來有望在近眼顯示、可穿戴設(shè)備等場(chǎng)景中得以應(yīng)用。
| 論文信息 |
黎垚，江昊男，周自平，董金沛，陳恩果，葉蕓，徐勝，孫捷，嚴(yán)群，郭太良. 超微型Micro-LED投影顯示光學(xué)引擎設(shè)計(jì)[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(7):910-918.
https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0216
致謝：本文得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、漳州市科技重大專項(xiàng)、閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室自主部署項(xiàng)目的支持。
▍通訊作者介紹
陳恩果，福州大學(xué)教授/博導(dǎo)，閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室特聘研究員，主要從事光電顯示技術(shù)方面的研究，涵蓋材料制備、器件工藝、光學(xué)設(shè)計(jì)仿真、系統(tǒng)應(yīng)用，涉及AR/VR近眼顯示、微顯示與微投影、量子點(diǎn)發(fā)光與顯示等。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上和青年項(xiàng)目、福建省重點(diǎn)重大項(xiàng)目等10余項(xiàng)，目前已在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文110余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利50余件。
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