超微型Micro-LED 投影顯示光學(xué)引擎設(shè)計

黎 垚，江昊男，周自平，董金沛，陳恩果，2*，葉 蕓，2，徐 勝，2，孫 捷，2，嚴(yán) 群，2，郭太良，2

（1. 福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 平板顯示技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，福建 福州 350108；2. 中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室（閩都創(chuàng)新實驗室），福建 福州 350108）

1 引 言

投影顯示技術(shù)是最早的電子信息顯示技術(shù)之一［1］。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于被動發(fā)光技術(shù)的液晶顯示（LCD）投影系統(tǒng)、數(shù)字光處理（DLP）投影系統(tǒng)、硅基液晶（LCoS）投影系統(tǒng)應(yīng)運而生，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域［2-3］。隨著現(xiàn)代社會信息化程度的提高和科技的進(jìn)步，包括投影顯示設(shè)備在內(nèi)的電子設(shè)備開始向微型化方向發(fā)展，基于被動發(fā)光技術(shù)的投影系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、效率較低等問題已逐漸凸顯。當(dāng)前自發(fā)光技術(shù)逐漸引起廣泛關(guān)注，尤其是微型有機(jī)發(fā)光二極管（Micro-OLED）、微型發(fā)光二極管（Micro-LED，μLED）等技術(shù)的快速發(fā)展，使投影顯示光學(xué)引擎面臨著技術(shù)革新［4-5］。

μLED 是一種自發(fā)光微顯示器件，其核心是高密度的微小尺寸發(fā)光二極管的二維陣列，它具有工作電壓低、發(fā)光效率高、響應(yīng)速率快、工作溫度范圍寬、適應(yīng)惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等多種優(yōu)勢［6］。此外，μLED 的發(fā)光亮度很高，每個像素可實現(xiàn)單獨驅(qū)動，并且其發(fā)光單元尺寸能夠控制到微米量級從而實現(xiàn)高分辨率顯示，因其在亮度、壽命、分辨率和效率等方面的優(yōu)異特性而成為研究的焦點，被視為下一代顯示技術(shù)的基石［7］，也成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。

特別是近年來元宇宙概念的興起，作為虛擬世界與現(xiàn)實世界交互的最重要載體，AR/VR 眼鏡等近眼顯示設(shè)備良好的穿戴感受和使用體驗變得尤為重要。作為近眼顯示核心之一［8］，微投影光學(xué)系統(tǒng)承擔(dān)著傳遞圖像的功能，其體積和效率決定著近眼顯示設(shè)備的品質(zhì)。具有高效緊湊型的自發(fā)光微型投影系統(tǒng)的近眼顯示設(shè)備將成為元宇宙消費市場的主流發(fā)展趨勢。

目前傳統(tǒng)微投影光學(xué)系統(tǒng)仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大等缺陷，而采用自發(fā)光光源作為投影光源和像源，其與投影鏡頭存在光瞳匹配的問題，需要權(quán)衡像質(zhì)、效率等光學(xué)性能和系統(tǒng)體積。針對這一問題，本文開展了基于μLED 的超微型投影顯示光學(xué)引擎的設(shè)計研究，通過對微投影成像鏡頭的優(yōu)化，實現(xiàn)了微投影系統(tǒng)體積與投影像質(zhì)的平衡，并基于μLED 的光分布特性，探索了與微投影鏡頭光瞳接收角相匹配的μLED 顯示芯片的最佳發(fā)散角度。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)用在搭載超微型投影光學(xué)引擎的近眼顯示設(shè)備上。

2 μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 主流微型投影光學(xué)系統(tǒng)對比

基于被動發(fā)光技術(shù)發(fā)展的微投影光學(xué)系統(tǒng)，如LCoS 微投影光學(xué)系統(tǒng)和DLP 微投影光學(xué)系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)體積上已經(jīng)達(dá)到微型化，但仍有較為復(fù)雜的照明光路和成像光路結(jié)構(gòu)［9］，加上采用效率較低的被動發(fā)光源，光能利用率有限。而基于自發(fā)光顯示技術(shù)開發(fā)的微投影光學(xué)系統(tǒng)，如Micro-OLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)和μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)，具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)。由于Micro-OLED 和μLED 的優(yōu)異特性，自發(fā)光微投影光學(xué)系統(tǒng)還在光源亮度和性能功耗上具有巨大優(yōu)勢，與被動發(fā)光微投影系統(tǒng)相比，響應(yīng)速度更快、效率更高、功耗更低，更契合超微型投影、近眼顯示等設(shè)備的發(fā)展方向。

自發(fā)光微投影光學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)一直是研究的熱點。如圖1 所示，早在2009 年，香港科技大學(xué)劉召軍團(tuán)隊成功研制了世界上第一臺緊湊結(jié)構(gòu)全 彩 的 三 片 式LED 微 型 投 影 儀［10-11］，為 后 來μLED 彩色化方案和顯示微型投影顯示的發(fā)展提供了創(chuàng)新思路。2010 年，德國梅澤堡應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的Gro?mann 等人開發(fā)出基于自發(fā)光OLED 芯片的單色微型投影系統(tǒng)［12］，該微投影系統(tǒng)體積小于10 cm3，在結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時還具有良好的光學(xué)特性。2020 年，日本索尼（SONY）公司開發(fā)出世界最小的OLED 微投影顯示模組，該模組的體積僅有0.66 cm3，同時還具有較高的光學(xué)效率［13］。2021年，香港JBD 公司發(fā)布了μLED 全彩微投影光學(xué)引擎［14］，體積僅為1.35 cm3，其入眼亮度高達(dá)1 000 cd/m2目前已在近眼顯示投影設(shè)備上應(yīng)用。

圖1 （a）世界上第一臺緊湊結(jié)構(gòu)全彩LED 微型投影儀樣機(jī)［11］；（b）基于自發(fā)光OLED 芯片的單色微型投影系統(tǒng)［12］；（c）世界上最小的OLED 微顯示投影設(shè)備［13］；（d）μLED 全彩微投影光學(xué)引擎［14］。Fig.1 （a） The world’s first compact full-color LED pico-projector prototype［11］； （b） Monochrome pico-projection system based on self-emitting OLED chips［12］； （c） The world’s smallest OLED micro-display projection device［13］； （d） μLED full color pico-projection optical engine［14］.

雖然Micro-OLED 與μLED 同屬自發(fā)光光源，但由于Micro-OLED 在顯示亮度上遠(yuǎn)不及μLED且OLED 器件存在壽命上的劣勢［15］，使得μLED 成為應(yīng)用在下一代顯示設(shè)備上的最有力競爭者［16］。表1顯示了主流微投影光學(xué)系統(tǒng)的性能對比及實體結(jié)構(gòu)圖［17］。

表1 主流微投影系統(tǒng)性能對比及實體結(jié)構(gòu)圖Tab.1 Performance comparison of mainstream pico-projection systems and structure diagram

2.2 μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

圖2 顯示了單片式μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)的光路原理圖?？梢钥吹狡浣Y(jié)構(gòu)大幅簡化，系統(tǒng)僅由單片μLED 顯示芯片和微投影鏡頭組成，由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Fig.2 Schematic of the μLED pico-projection optical system

本文采用香港JBD 公司開發(fā)的3.302 mm(0.13 in) JBD4UM480P 型紅光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顯示芯片的有效發(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(dá)400 000 cd/m2，發(fā)光波長為625 nm。其具體參數(shù)如表2 所示。

表2 μLED 顯示芯片部分參數(shù)Tab.2 Parameters of μLED display panel

3 μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)鏡頭設(shè)計

3.1 投影鏡頭設(shè)計指標(biāo)

成像鏡頭的設(shè)計是μLED 微投影光學(xué)系統(tǒng)的核心，在設(shè)計中要保證鏡頭體積足夠小的同時還具有較好成像質(zhì)量是非常困難的。一方面，要設(shè)計出與小尺寸μLED 顯示芯片適配的微型投影鏡頭。另一方面，更小尺寸的鏡頭具有更小的孔徑，這會導(dǎo)致鏡頭成像質(zhì)量的下降［18］。因此，需要在鏡頭的尺寸和鏡頭的成像質(zhì)量之間取得平衡。系統(tǒng)體積和像質(zhì)的平衡是微投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵［19］。本文所設(shè)計的微投影光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)總體積應(yīng)不超過20 mm3，中心視場的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）目標(biāo)值在截止頻率處接近0.5。

通常投影鏡頭采用反向設(shè)計方法［20］。在本系統(tǒng)中，像高y的大小由μLED 發(fā)光芯片對角線長度L確定：

對于微投影光學(xué)系統(tǒng)而言，影響系統(tǒng)長度的因素主要包括鏡片數(shù)量N、鏡頭第一面頂點到最后一面頂點的鏡頭長度OAL 和鏡頭最后表面到像面的鏡頭后截距BFL 等。考慮到系統(tǒng)體積與像質(zhì)的設(shè)計目標(biāo)，鏡片數(shù)量N應(yīng)控制在4 片以內(nèi)。根據(jù)幾何關(guān)系和設(shè)計經(jīng)驗［21］，鏡頭長度OAL 的數(shù)值大小LOAL應(yīng)滿足：

后截距BFL 的大小LBFL應(yīng)滿足：

投影鏡頭的分辨率必須與μLED 發(fā)光芯片的分辨率匹配。設(shè)投影鏡頭的截止頻率為p，像素尺寸為a，有：

此外，我們還計算了其他參數(shù)和設(shè)計指標(biāo)，具體鏡頭設(shè)計參數(shù)如表3 所示。

表3 鏡頭參數(shù)及設(shè)計指標(biāo)Tab.3 Parameters and design indicators of the lens

3.2 投影鏡頭的設(shè)計及評價

利用CODE V 光學(xué)設(shè)計軟件設(shè)計了由4 片球面玻璃組成的微投影鏡頭，經(jīng)優(yōu)化后最終面型數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 μLED 微投影鏡頭各表面數(shù)據(jù)Tab.4 Each surface data of the μLED pico-projection lens

微投影鏡頭的光路圖如圖3 所示。該鏡頭的數(shù)值孔徑（NA）為0.14，OAL 值和BFL 值分別為1.3 mm 和3.15 mm，最終系統(tǒng)總體積約為18.35 mm3。

圖3 μLED 微投影鏡頭的光路Fig.3 Structure of optical path for μLED pico-projection lens

微投影光學(xué)對鏡頭的光學(xué)性能進(jìn)行了分析，其中MTF 曲線圖如圖4 所示，中心視場的MTF值在截止頻率121 lp/mm 處超過0.57。因此，該微投影光學(xué)系統(tǒng)的體積和像質(zhì)均滿足設(shè)計指標(biāo)。

圖4 μLED 微投影鏡頭的MTF 曲線Fig.4 MTF curves of the μLED pico-projection lens

對微投影鏡頭的像差進(jìn)行了分析，圖5（a）為微投影鏡頭的點列圖，可以看出各視場下彌散斑的均方根半徑小于2.7 μm，而艾里斑半徑尺寸值為2.51 μm，表明系統(tǒng)具有較小的色差。微投影光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變曲線如圖5（b）所示，可以看出場曲對該系統(tǒng)的影響較小，而系統(tǒng)的最大視場畸變大小僅為1.5%，滿足實際成像需求。

圖5 系統(tǒng)像差圖。（a）點列圖；（b）場曲畸變曲線。Fig.5 System aberration diagram. （a） Point column diagram； （b） Field curve distortion curve.

4 μLED 微投影系統(tǒng)的光源特性

4.1 μLED 的光源分布特性

通常μLED 顯示芯片上子像素可達(dá)百萬個，具有非常高的光源亮度，但其每個子像素的光源近似為朗伯光源，光強(qiáng)在空間呈余弦分布，發(fā)散角以中心軸對稱分布。圖6（a）、（b）分別顯示了μLED 芯片中單個像素在XY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?？梢钥闯?，當(dāng)像素發(fā)散半角θtotal_half為45°時，此時的空間光通量為總光通量的50%；當(dāng)發(fā)散半角為60°時，空間光通量為總光通量的75%；而若要收集90%的總光通量，像素發(fā)散半角應(yīng)控制在72°左右。這樣的光分布必然會導(dǎo)致μLED 顯示像素間存在嚴(yán)重的串?dāng)_［22］，同時還會因為大量無法利用的光而降低系統(tǒng)的光能利用率，因此μLED 顯示芯片直接應(yīng)用在投影顯示系統(tǒng)中將存在光能利用率較低的問題［23］。

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(qiáng)和光通量隨角度分布的關(guān)系。Fig.6 （a） Schematic diagram of the pixel luminescence of a μLED chip； （b） Relationship between luminous intensity/luminous flux of a μLED pixel and angular distribution.

4.2 μLED 微投影系統(tǒng)中的光能利用關(guān)系

提升μLED 微投影光學(xué)引擎光能利用率的關(guān)鍵是如何通過成像鏡頭收集并有效投射更多的光能。以朗伯光分布的情況，在考慮微投影光學(xué)系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能損耗后，μLED 光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后能投射到目標(biāo)面的光能量只有極少部分［24］。

圖7 顯示了微投影系統(tǒng)中光源發(fā)散角與鏡頭光瞳接收角的能量匹配關(guān)系。通常成像鏡頭的孔徑角θcapture由其數(shù)值孔徑確定，μLED 光源出射角θtotal內(nèi)只有部分小角度θin的光源可被鏡頭收集并投射，而大部分出射角都在鏡頭光瞳的接收角之外，造成光能量的浪費，這也是微投影光學(xué)系統(tǒng)光能利用率較低的主要原因。

圖7 μLED 微投影系統(tǒng)中的光能利用關(guān)系Fig.7 Light energy utilization relationship in μLED picoprojection system

通過增大鏡頭數(shù)值孔徑和提高光源的亮度是兩種提升投影鏡頭光能收集能力的方法，但這些都可能導(dǎo)致更大的系統(tǒng)體積和更多的光能量損失。更有效的辦法是，對μLED 光源進(jìn)行預(yù)先整形 處理［25］，即對μLED 像素的發(fā)散角進(jìn)行縮束，將更多的光源出射光引導(dǎo)到投影鏡頭中來提高μLED 顯示芯片與微投影成像鏡頭的光學(xué)耦合效率，從而提高整個系統(tǒng)的光能利用率。而將μLED 光源較大的發(fā)散角約束到與微投影鏡頭光瞳接收角相匹配的角度范圍還需要進(jìn)一步研究。本文在微投影鏡頭的數(shù)值孔徑固定的情況下，通過改變μLED 顯示芯片的發(fā)散角度來研究微投影光學(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，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效耦合。

4.3 μLED 微投影系統(tǒng)的光源要求

通過研究μLED 顯示芯片的發(fā)散角與微投影鏡頭光瞳接收角的匹配關(guān)系，可為μLED 光源整形提供有效參考，實現(xiàn)更高光效的微投影光學(xué)系統(tǒng)。

圖8 為固定孔徑角θcapture=8.05°（NA=0.14）的投影鏡頭對μLED 光源的不同發(fā)散半角的耦合效率ηcoupling及系統(tǒng)效率ηsystem的曲線圖。其中耦合效率ηcoupling定義為μLED 光源發(fā)散半角為θtotal_half時，進(jìn)入鏡頭的θin角度光線內(nèi)光通量與發(fā)散角內(nèi)總光通量的比值：

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Fig.8 Coupling efficiency and system efficiency curves of lens with fixed aperture angles for different divergence half angles

系統(tǒng)效率ηsystem定義為經(jīng)微投影鏡頭投射到屏幕或者系統(tǒng)下一接收面上的光通量Φscreen與μLED 發(fā)出的總光通量Φtotal之間的比值：

可以看出，當(dāng)μLED 光源的發(fā)散半角θtotal_half小于10°時，鏡頭的耦合效率ηcoupling和系統(tǒng)效率ηsystem始終維持在20.5%附近；而當(dāng)發(fā)散半角θtotal_half增大到10°之后，投影鏡頭對光源的耦合效率和系統(tǒng)效率大幅下降?？紤]到微準(zhǔn)直系統(tǒng)的準(zhǔn)直效率 與 系 統(tǒng)體積的 關(guān) 系［26］，20°（半角為±10°）的μLED 顯示芯片光源發(fā)散角為此微投影光學(xué)系統(tǒng)的最佳光源角度。

5 原理驗證

在以上設(shè)計研究的基礎(chǔ)上，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μLED 投影顯示原理進(jìn)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“福州大學(xué)”圖案，較好地驗證了本文工作的可行性，對于樣機(jī)的進(jìn)一步研究工作將在以后的工作中開展。

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。Fig.9 μLED pico-projection optical system device.（a） Pico-projection device structure； （b） Projection pattern of the device.

6 結(jié) 論

本文針對當(dāng)前被動式微投影光學(xué)引擎結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率不高的缺陷，設(shè)計了基于μLED 超微型投影光學(xué)系統(tǒng)，該微投影系統(tǒng)的體積僅為18.35 mm3，鏡頭在截止頻率處中心視場的MTF值超過0.57。根據(jù)μLED 顯示芯片的光強(qiáng)分布特點，探討了μLED 顯示芯片的發(fā)散角度與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，可實現(xiàn)更高光效的μLED 微投影系統(tǒng)。本文實現(xiàn)的超微型μLED 投影顯示光學(xué)引擎設(shè)計在系統(tǒng)體積與成像像質(zhì)之間取得了較好的平衡，未來有望在近眼顯示、可穿戴設(shè)備等場景中得以應(yīng)用。