液晶与显示|Micro-LED助力投影显示光学引擎超微化

近年来，随着“元宇宙”概念的兴起，AR/VR眼镜等近眼显示设备受到极大关注。微投影显示光学系统是近眼显示设备的核心之一，也是近眼显示设备的唯一像源，其结构体积和系统效率决定着近眼显示设备的品质，其微型化设计对近眼显示设备影响深远。当前主要的投影显示光学引擎都基于被动发光原理，存在结构复杂、体积较大、效率较低等问题，更重要的是，其光源和光调制器芯片受制于人，且长期处于高度垄断，导致了投影显示技术发展缓慢，难以融入主流显示技术，投影显示技术革新迫在眉睫。

“十四五”以来，基于自发光显示的微投影显示光学系统成为了研究热点，国家科技部于2022年11月在“新型显示与战略性电子材料”重点专项中对“高亮度Micro-LED投影显示关键技术研究（No.2022YFB3603500）”进行立项研究，项目在行业内首次提出将主动发光Micro-LED微显示屏替代卡脖子的光源和光调制器芯片，颠覆当前投影系统架构及工作原理，实现投影显示核心部件的全国产化。

微型发光二极管（Micro-LED，μLED）在亮度、寿命、分辨率和效率等方面的优异特性，并且契合超微型投影、近眼显示等设备的发展方向，使其被视为未来超微型投影显示光学引擎光源和像源整合的最佳选择。但是将μLED直接作为投影光源和像源时，其与投影镜头存在光瞳匹配，并且还存在系统光能利用率较低的问题，需要权衡像质、效率等光学性能和系统体积。

近日，福州大学、闽都创新实验室郭太良和严群教授团队的陈恩果教授等人在《液晶与显示》（ESCI、Scopus收录，中文核心期刊）2023年第7期发表了题为“超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计研究”的研究文章，并被选作当期封面文章。

该文章设计了基于μLED的超微型投影显示光学引擎，体积仅有18.35 mm³ ，且镜头的MTF值超过0.57，较好地实现微投影系统体积与像质的平衡；同时研究了μLED发散角度与镜头光瞳接收角的匹配关系，对进一步实现高光效的微投影光学系统提供了理论支持；论文还基于福州大学自主开发的蓝光μLED显示屏搭建了微投影光学系统，对μLED投影原理进行了初步验证。该系统可为自发光微型投影系统的研究与设计提供参考，未来有望应用于搭载超微型投影光学引擎的近眼显示设备。

图1：《液晶与显示》2023年第7期封面图

▍μLED微投影光学系统设计

单片式μLED微投影系统仅由单片μLED显示芯片和微投影镜头组成，μLED光源发出光束，经微投影镜头投射到屏幕或者系统下一接收面（如AR的组合器）。

图2: μLED微投影光学系统原理图
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.2

μLED微投影光学系统的设计关键在于体积和像质的均衡。因此在显示芯片部分，文章采用目前已商业化的0.13英寸红光μLED微显示器作为微投影显示系统的光源和像源单元，该μLED显示芯片的效发光区域大小为2.64 mm×2.02 mm，单个像素间距为4 μm，分辨率为640×480，最高亮度可达400, 000 cd/m²，发光波长为625 nm。镜头的设计是微投影系统的核心，文章设计了4片球面玻璃组成的微投影镜头，经优化后最终光路图如图3所示，该镜头的数值孔径NA值为0.14，镜头长度（OAL）和镜头后截距（BFL）大小分别为1.3 mm和3.15 mm，经计算最终系统总体积约为18.35 mm³。

图3: μLED微投影镜头的光路图
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.3

文章还对镜头的光学性能进行分析，在中心视场的MTF值在截止频率121 lp/mm处超过0.57；在各视场下点列图的弥散斑均方根半径小于2.7 μm，系统的最大视场畸变大小仅为1.5%。设计结果表明，该微投影系统具有良好的成像质量，较好地实现了体积与像质的均衡。

图4: μLED微投影镜头的MTF曲线图
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.4

图5: 系统像差图。（a）点列图；（b）场曲畸变曲线
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.5

▍μLED微投影系统光源特性研究

μLED光源近似为朗伯光源，光强在空间呈余弦分布，图6（a）、（b）分别显示了μLED显示芯片中单个像素在平面内的发光示意图及空间光强和光通量随角度分布关系。μLED光分布导致严重的像素间串扰而影响成像质量，并且在考虑系统光学性能损耗后，只有极少部分光能量能投射到目标面上，从而带来较低的光能利用率。

图6: （a）平面内μLED芯片单个像素发光示意图；（b）单个像素光强和光通量随角度分布的关系
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.6

如图7所示，根据μLED微投影系统中的光能利用关系，提升系统光能利用率的关键是通过镜头收集并有效投射更多的光能。目前最有效的办法是对μLED光源进行预先整形处理从而将更多的光源引导到镜头中，因此有必要进一步研究微投影系统中光源发散角与镜头光瞳接收角的能量匹配关系。

图7: μLED微投影系统中的光能利用关系
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.7

文章通过研究固定孔径角投影镜头对不同发散半角μLED光源的耦合效率及系统效率的关系，确定微投影光学系统中最佳的光源发散角度，以达到光源发散角与微投影镜头光瞳接收角的匹配。如图8所示，当μLED光源的发散半角小于10°时，镜头的耦合效率和系统效率始终维持在20.5%附近；而当发散半角增大到10°之后，两组效率值会大幅下降。考虑到系统效率与系统体积的关系，20°（半角为±10°）的光源发散角为此微投影光学系统的最佳光源角度。

图8: 固定孔径角的镜头对不同发散半角的耦合效率和系统效率曲线
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.8

▍原理验证

文章基于福州大学自主开发的蓝光μLED显示屏搭建了微投影光学系统样机，对μLED投影显示原理进行了初步验证。图9（a）所示的是μLED微显示芯片及其投影镜头，图9（b）是投影屏幕上显示的文字图案，较好地验证了本文工作的可行性。

图9: μLED微投影光学系统样机。（a）微投影样机结构；（b）样机投影图案
图源：液晶与显示，2023, 38(7):910-918. Fig.9

▍结论与展望

针对当前微投影光学引擎结构复杂、效率不高的缺陷，本文设计了基于μLED超微型投影光学系统，该系统的体积仅为18.35 mm³，镜头MTF的值超过0.57。文章还探讨了μLED显示芯片的发散角度微投影镜头光瞳接收角的匹配关系，确定20°的μLED显示芯片光源发散角为所设计微投影光学系统的最佳光源角度，对于实现更高光效的微投影系统具有指导意义。文章所设计的超微型μLED投影显示光学引擎在系统体积与成像像质之间取得了较好的权衡，未来有望在近眼显示、可穿戴设备等场景中得以应用。

| 论文信息 |

黎垚，江昊男，周自平，董金沛，陈恩果，叶芸，徐胜，孙捷，严群，郭太良. 超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计[J]. 液晶与显示, 2023, 38(7):910-918.

https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0216

致谢：本文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、漳州市科技重大专项、闽都创新实验室自主部署项目的支持。

▍通讯作者介绍

陈恩果，福州大学教授/博导，闽都创新实验室特聘研究员，主要从事光电显示技术方面的研究，涵盖材料制备、器件工艺、光学设计仿真、系统应用，涉及AR/VR近眼显示、微显示与微投影、量子点发光与显示等。作为项目负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上和青年项目、福建省重点重大项目等10余项，目前已在国内外学术刊物发表论文110余篇，授权国家发明专利50余件。
E-mail: ceg@fzu.edu.cn

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