超微型Micro-LED 投影顯示光學引擎設計

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 群，2，郭太良，2

（1. 福州大學 物理與信息工程學院 平板顯示技術國家地方聯合工程實驗室，福建 福州 350108；2. 中國福建光電信息科學與技術創新實驗室（閩都創新實驗室），福建 福州 350108）

1 引 言

投影顯示技術是最早的電子信息顯示技術之一［1］。伴隨著科學技術的不斷發展，基于被動發光技術的液晶顯示（LCD）投影系統、數字光處理（DLP）投影系統、硅基液晶（LCoS）投影系統應運而生，廣泛應用于各個領域［2-3］。隨著現代社會信息化程度的提高和科技的進步，包括投影顯示設備在內的電子設備開始向微型化方向發展，基于被動發光技術的投影系統結構復雜、體積較大、效率較低等問題已逐漸凸顯。當前自發光技術逐漸引起廣泛關注，尤其是微型有機發光二極管（Micro-OLED）、微型發光二極管（Micro-LED，μLED）等技術的快速發展，使投影顯示光學引擎面臨著技術革新［4-5］。

μLED 是一種自發光微顯示器件，其核心是高密度的微小尺寸發光二極管的二維陣列，它具有工作電壓低、發光效率高、響應速率快、工作溫度范圍寬、適應惡劣環境能力強等多種優勢［6］。此外，μLED 的發光亮度很高，每個像素可實現單獨驅動，并且其發光單元尺寸能夠控制到微米量級從而實現高分辨率顯示，因其在亮度、壽命、分辨率和效率等方面的優異特性而成為研究的焦點，被視為下一代顯示技術的基石［7］，也成為未來超微型投影顯示光學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，作為虛擬世界與現實世界交互的最重要載體，AR/VR 眼鏡等近眼顯示設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］，微投影光學系統承擔著傳遞圖像的功能，其體積和效率決定著近眼顯示設備的品質。具有高效緊湊型的自發光微型投影系統的近眼顯示設備將成為元宇宙消費市場的主流發展趨勢。

目前傳統微投影光學系統仍存在結構復雜、體積較大等缺陷，而采用自發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，需要權衡像質、效率等光學性能和系統體積。針對這一問題，本文開展了基于μLED 的超微型投影顯示光學引擎的設計研究，通過對微投影成像鏡頭的優化，實現了微投影系統體積與投影像質的平衡，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 顯示芯片的最佳發散角度。該系統可為自發光微型投影系統的研究與設計提供參考，未來有望應用在搭載超微型投影光學引擎的近眼顯示設備上。

2 μLED 微投影光學系統架構

2.1 主流微型投影光學系統對比

基于被動發光技術發展的微投影光學系統，如LCoS 微投影光學系統和DLP 微投影光學系統，雖然系統體積上已經達到微型化，但仍有較為復雜的照明光路和成像光路結構［9］，加上采用效率較低的被動發光源，光能利用率有限。而基于自發光顯示技術開發的微投影光學系統，如Micro-OLED 微投影光學系統和μLED 微投影光學系統，具有更加緊湊的結構。由于Micro-OLED 和μLED 的優異特性，自發光微投影光學系統還在光源亮度和性能功耗上具有巨大優勢，與被動發光微投影系統相比，響應速度更快、效率更高、功耗更低，更契合超微型投影、近眼顯示等設備的發展方向。

自發光微投影光學系統的開發一直是研究的熱點。如圖1 所示，早在2009 年，香港科技大學劉召軍團隊成功研制了世界上第一臺緊湊結構全 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展提供了創新思路。2010 年，德國梅澤堡應用科學大學的Gro?mann 等人開發出基于自發光OLED 芯片的單色微型投影系統［12］，該微投影系統體積小于10 cm3，在結構遠小于傳統結構的同時還具有良好的光學特性。2020 年，日本索尼（SONY）公司開發出世界最小的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效率［13］。2021年，香港JBD 公司發布了μLED 全彩微投影光學引擎［14］，體積僅為1.35 cm3，其入眼亮度高達1 000 cd/m2目前已在近眼顯示投影設備上應用。

圖1 （a）世界上第一臺緊湊結構全彩LED 微型投影儀樣機［11］；（b）基于自發光OLED 芯片的單色微型投影系統［12］；（c）世界上最小的OLED 微顯示投影設備［13］；（d）μLED 全彩微投影光學引擎［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 同屬自發光光源，但由于Micro-OLED 在顯示亮度上遠不及μLED且OLED 器件存在壽命上的劣勢［15］，使得μLED 成為應用在下一代顯示設備上的最有力競爭者［16］。表1顯示了主流微投影光學系統的性能對比及實體結構圖［17］。

表1 主流微投影系統性能對比及實體結構圖Tab.1 Performance comparison of mainstream pico-projection systems and structure diagram

2.2 μLED 微投影光學系統參數

圖2 顯示了單片式μLED 微投影光學系統的光路原理圖。可以看到其結構大幅簡化，系統僅由單片μLED 顯示芯片和微投影鏡頭組成，由μLED 光源發出光束，經微投影鏡頭投射到屏幕或者系統下一接收面（如AR 的組合器）。

圖2 μLED 微投影光學系統原理圖Fig.2 Schematic of the μLED pico-projection optical system

本文采用香港JBD 公司開發的3.302 mm(0.13 in) JBD4UM480P 型紅光μLED 微顯示器作為微投影顯示系統的光源和像源單元。該μLED顯示芯片的有效發光區域大小為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，發光波長為625 nm。其具體參數如表2 所示。

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

3 μLED 微投影光學系統鏡頭設計

3.1 投影鏡頭設計指標

成像鏡頭的設計是μLED 微投影光學系統的核心，在設計中要保證鏡頭體積足夠小的同時還具有較好成像質量是非常困難的。一方面，要設計出與小尺寸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，這會導致鏡頭成像質量的下降［18］。因此，需要在鏡頭的尺寸和鏡頭的成像質量之間取得平衡。系統體積和像質的平衡是微投影光學系統的設計關鍵［19］。本文所設計的微投影光學系統的目標總體積應不超過20 mm3，中心視場的調制傳遞函數（MTF）目標值在截止頻率處接近0.5。

通常投影鏡頭采用反向設計方法［20］。在本系統中，像高y的大小由μLED 發光芯片對角線長度L確定：

對于微投影光學系統而言，影響系統長度的因素主要包括鏡片數量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。考慮到系統體積與像質的設計目標，鏡片數量N應控制在4 片以內。根據幾何關系和設計經驗［21］，鏡頭長度OAL 的數值大小LOAL應滿足：

后截距BFL 的大小LBFL應滿足：

投影鏡頭的分辨率必須與μLED 發光芯片的分辨率匹配。設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和設計指標，具體鏡頭設計參數如表3 所示。

表3 鏡頭參數及設計指標Tab.3 Parameters and design indicators of the lens

3.2 投影鏡頭的設計及評價

利用CODE V 光學設計軟件設計了由4 片球面玻璃組成的微投影鏡頭，經優化后最終面型數據如表4 所示。

表4 μLED 微投影鏡頭各表面數據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

微投影光學對鏡頭的光學性能進行了分析，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，該微投影光學系統的體積和像質均滿足設計指標。

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，表明系統具有較小的色差。微投影光學系統的場曲和畸變曲線如圖5（b）所示，可以看出場曲對該系統的影響較小，而系統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，光強在空間呈余弦分布，發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平面內的發光示意圖及空間光強和光通量隨角度分布關系。可以看出，當像素發散半角θtotal_half為45°時，此時的空間光通量為總光通量的50%；當發散半角為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，像素發散半角應控制在72°左右。這樣的光分布必然會導致μLED 顯示像素間存在嚴重的串擾［22］，同時還會因為大量無法利用的光而降低系統的光能利用率，因此μLED 顯示芯片直接應用在投影顯示系統中將存在光能利用率較低的問題［23］。

圖6 （a）平面內μLED 芯片單個像素發光示意圖；（b）單個像素光強和光通量隨角度分布的關系。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 微投影系統中的光能利用關系

提升μLED 微投影光學引擎光能利用率的關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，在考慮微投影光學系統各部分結構的光學性能損耗后，μLED 光源經過光學系統后能投射到目標面的光能量只有極少部分［24］。

圖7 顯示了微投影系統中光源發散角與鏡頭光瞳接收角的能量匹配關系。通常成像鏡頭的孔徑角θcapture由其數值孔徑確定，μLED 光源出射角θtotal內只有部分小角度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，這也是微投影光學系統光能利用率較低的主要原因。

圖7 μLED 微投影系統中的光能利用關系Fig.7 Light energy utilization relationship in μLED picoprojection system

通過增大鏡頭數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，但這些都可能導致更大的系統體積和更多的光能量損失。更有效的辦法是，對μLED 光源進行預先整形 處理［25］，即對μLED 像素的發散角進行縮束，將更多的光源出射光引導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耦合效率，從而提高整個系統的光能利用率。而將μLED 光源較大的發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一步研究。本文在微投影鏡頭的數值孔徑固定的情況下，通過改變μLED 顯示芯片的發散角度來研究微投影光學系統中最佳的光源發散角度以達到光源發散角與微投影鏡頭光瞳接收角的匹配，實現系統的高效耦合。

4.3 μLED 微投影系統的光源要求

通過研究μLED 顯示芯片的發散角與微投影鏡頭光瞳接收角的匹配關系，可為μLED 光源整形提供有效參考，實現更高光效的微投影光學系統。

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

圖8 固定孔徑角的鏡頭對不同發散半角的耦合效率和系統效率曲線Fig.8 Coupling efficiency and system efficiency curves of lens with fixed aperture angles for different divergence half angles

系統效率ηsystem定義為經微投影鏡頭投射到屏幕或者系統下一接收面上的光通量Φscreen與μLED 發出的總光通量Φtotal之間的比值：

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

5 原理驗證

在以上設計研究的基礎上，基于福州大學自主開發的藍光μLED 顯示屏搭建了微投影光學系統樣機，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“福州大學”圖案，較好地驗證了本文工作的可行性，對于樣機的進一步研究工作將在以后的工作中開展。

圖9 μLED 微投影光學系統樣機。（a）微投影樣機結構；（b）樣機投影圖案。Fig.9 μLED pico-projection optical system device.（a） Pico-projection device structure； （b） Projection pattern of the device.

6 結 論

本文針對當前被動式微投影光學引擎結構復雜、效率不高的缺陷，設計了基于μLED 超微型投影光學系統，該微投影系統的體積僅為18.35 mm3，鏡頭在截止頻率處中心視場的MTF值超過0.57。根據μLED 顯示芯片的光強分布特點，探討了μLED 顯示芯片的發散角度與微投影鏡頭光瞳接收角的匹配關系，確定20°的μLED顯示芯片光源發散角為所設計微投影光學系統的最佳光源角度，可實現更高光效的μLED 微投影系統。本文實現的超微型μLED 投影顯示光學引擎設計在系統體積與成像像質之間取得了較好的平衡，未來有望在近眼顯示、可穿戴設備等場景中得以應用。