“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，國家科技部于2022年11月在“新型顯示與戰(zhàn)略性電子材料”重點專項中對“高亮度Micro-LED投影顯示關(guān)鍵技術(shù)研究（No.2022YFB3603500）”進行立項研究，項目在行業(yè)內(nèi)首次提出將主動發(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，實現(xiàn)投影顯示核心部件的全國產(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，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)新實驗室郭太良和嚴(yán)群教授團隊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)計研究”的研究文章，并被選作當(dāng)期封面文章。
該文章設(shè)計了基于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，較好地實現(xiàn)微投影系統(tǒng)體積與像質(zhì)的平衡；同時研究了μLED發(fā)散角度與鏡頭光瞳接收角的匹配關(guān)系，對進一步實現(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)的藍光μLED顯示屏搭建了微投影光學(xué)系統(tǒng)，對μLED投影原理進行了初步驗證。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
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，單個像素間距為4 μm，分辨率為640×480，最高亮度可達400, 000 cd/m²，發(fā)光波長為625 nm。鏡頭的設(shè)計是微投影系統(tǒng)的核心，文章設(shè)計了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，鏡頭長度（OAL）和鏡頭后截距（BFL）大小分別為1.3 mm和3.15 mm，經(jīng)計算最終系統(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
文章還對鏡頭的光學(xué)性能進行分析，在中心視場的MTF值在截止頻率121 lp/mm處超過0.57；在各視場下點列圖的彌散斑均方根半徑小于2.7 μm，系統(tǒng)的最大視場畸變大小僅為1.5%。設(shè)計結(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）點列圖；（b）場曲畸變曲線
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顯示芯片中單個像素在平面內(nèi)的發(fā)光示意圖及空間光強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芯片單個像素發(fā)光示意圖；（b）單個像素光強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μLED光源進行預(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，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，兩組效率值會大幅下降。考慮到系統(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
▍原理驗證
文章基于福州大學(xué)自主開發(fā)的藍光μLED顯示屏搭建了微投影光學(xué)系統(tǒng)樣機，對μLED投影顯示原理進行了初步驗證。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，較好地驗證了本文工作的可行性。
圖9: μLED微投影光學(xué)系統(tǒng)樣機。（a）微投影樣機結(jié)構(gòu)；（b）樣機投影圖案
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)計微投影光學(xué)系統(tǒng)的最佳光源角度，對于實現(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[J]. 液晶與顯示, 2023, 38(7):910-918.
https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0216
致謝：本文得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、漳州市科技重大專項、閩都創(chuàng)新實驗室自主部署項目的支持。
▍通訊作者介紹
陳恩果，福州大學(xué)教授/博導(dǎo)，閩都創(chuàng)新實驗室特聘研究員，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、量子點發(fā)光與顯示等。作為項目負責(zé)人主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上和青年項目、福建省重點重大項目等10余項，目前已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文110余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利50余件。
E-mail: ceg@fzu.edu.cn
