“十四五”以來，基于自發光顯示的微投影顯示光學系統成為了研究熱點，國家科技部于2022年11月在“新型顯示與戰略性電子材料”重點專項中對“高亮度Micro-LED投影顯示關鍵技術研究（No.2022YFB3603500）”進行立項研究，項目在行業內首次提出將主動發光Micro-LED微顯示屏替代卡脖子的光源和光調制器芯片，顛覆當前投影系統架構及工作原理，實現投影顯示核心部件的全國產化。
微型發光二極管（Micro-LED，μLED）在亮度、壽命、分辨率和效率等方面的優異特性，并且契合超微型投影、近眼顯示等設備的發展方向，使其被視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。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，并且還存在系統光能利用率較低的問題，需要權衡像質、效率等光學性能和系統體積。
近日，福州大學、閩都創新實驗室郭太良和嚴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期發表了題為“超微型Micro-LED投影顯示光學引擎設計研究”的研究文章，并被選作當期封面文章。
該文章設計了基于μLED的超微型投影顯示光學引擎，體積僅有18.35 mm³ ，且鏡頭的MTF值超過0.57，較好地實現微投影系統體積與像質的平衡；同時研究了μLED發散角度與鏡頭光瞳接收角的匹配關系，對進一步實現高光效的微投影光學系統提供了理論支持；論文還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，對μLED投影原理進行了初步驗證。該系統可為自發光微型投影系統的研究與設計提供參考，未來有望應用于搭載超微型投影光學引擎的近眼顯示設備。
▍μLED微投影光學系統設計
單片式μLED微投影系統僅由單片μLED顯示芯片和微投影鏡頭組成，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
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.2
μLED微投影光學系統的設計關鍵在于體積和像質的均衡。因此在顯示芯片部分，文章采用目前已商業化的0.13英寸紅光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。鏡頭的設計是微投影系統的核心，文章設計了4片球面玻璃組成的微投影鏡頭，經優化后最終光路圖如圖3所示，該鏡頭的數值孔徑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，經計算最終系統總體積約為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，系統的最大視場畸變大小僅為1.5%。設計結果表明，該微投影系統具有良好的成像質量，較好地實現了體積與像質的均衡。
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的發光示意圖及空間光強和光通量隨角度分布關系。μLED光分布導致嚴重的像素間串擾而影響成像質量，并且在考慮系統光學性能損耗后，只有極少部分光能量能投射到目標面上，從而帶來較低的光能利用率。
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
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.6
如圖7所示，根據μLED微投影系統中的光能利用關系，提升系統光能利用率的關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光源進行預先整形處理從而將更多的光源引導到鏡頭中，因此有必要進一步研究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。
圖7: μLED微投影系統中的光能利用關系
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散半角μLED光源的耦合效率及系統效率的關系，確定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。如圖8所示，當μLED光源的發散半角小于10°時，鏡頭的耦合效率和系統效率始終維持在20.5%附近；而當發散半角增大到10°之后，兩組效率值會大幅下降�？紤]到系統效率與系統體積的關系，20°（半角為±10°）的光源發散角為此微投影光學系統的最佳光源角度。
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
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微投影光學系統樣機。（a）微投影樣機結構；（b）樣機投影圖案
圖源：液晶與顯示，2023, 38(7):910-918. Fig.9
▍結論與展望
針對當前微投影光學引擎結構復雜、效率不高的缺陷，本文設計了基于μLED超微型投影光學系統，該系統的體積僅為18.35 mm³，鏡頭MTF的值超過0.57。文章還探討了μLED顯示芯片的發散角度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，對于實現更高光效的微投影系統具有指導意義。文章所設計的超微型μLED投影顯示光學引擎在系統體積與成像像質之間取得了較好的權衡，未來有望在近眼顯示、可穿戴設備等場景中得以應用。
| 論文信息 |
黎垚，江昊男，周自平，董金沛，陳恩果，葉蕓，徐勝，孫捷，嚴群，郭太良. 超微型Micro-LED投影顯示光學引擎設計[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計劃、國家自然科學基金、漳州市科技重大專項、閩都創新實驗室自主部署項目的支持。
▍通訊作者介紹
陳恩果，福州大學教授/博導，閩都創新實驗室特聘研究員，主要從事光電顯示技術方面的研究，涵蓋材料制備、器件工藝、光學設計仿真、系統應用，涉及AR/VR近眼顯示、微顯示與微投影、量子點發光與顯示等。作為項目負責人主持國家重點研發計劃課題、國家自然科學基金面上和青年項目、福建省重點重大項目等10余項，目前已在國內外學術刊物發表論文110余篇，授權國家發明專利50余件。
E-mail: ceg@fzu.edu.cn
