超微型Micro-LED 投影显示光学引擎设计

黎 垚，江昊男，周自平，董金沛，陈恩果，2*，叶 芸，2，徐 胜，2，孙 捷，2，严 群，2，郭太良，2

（1. 福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，福建 福州 350108；2. 中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室），福建 福州 350108）

1 引 言

投影显示技术是最早的电子信息显示技术之一［1］。伴随着科学技术的不断发展，基于被动发光技术的液晶显示（LCD）投影系统、数字光处理（DLP）投影系统、硅基液晶（LCoS）投影系统应运而生，广泛应用于各个领域［2-3］。随着现代社会信息化程度的提高和科技的进步，包括投影显示设备在内的电子设备开始向微型化方向发展，基于被动发光技术的投影系统结构复杂、体积较大、效率较低等问题已逐渐凸显。当前自发光技术逐渐引起广泛关注，尤其是微型有机发光二极管（Micro-OLED）、微型发光二极管（Micro-LED，μLED）等技术的快速发展，使投影显示光学引擎面临着技术革新［4-5］。

μLED 是一种自发光微显示器件，其核心是高密度的微小尺寸发光二极管的二维阵列，它具有工作电压低、发光效率高、响应速率快、工作温度范围宽、适应恶劣环境能力强等多种优势［6］。此外，μLED 的发光亮度很高，每个像素可实现单独驱动，并且其发光单元尺寸能够控制到微米量级从而实现高分辨率显示，因其在亮度、寿命、分辨率和效率等方面的优异特性而成为研究的焦点，被视为下一代显示技术的基石［7］，也成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。

特别是近年来元宇宙概念的兴起，作为虚拟世界与现实世界交互的最重要载体，AR/VR 眼镜等近眼显示设备良好的穿戴感受和使用体验变得尤为重要。作为近眼显示核心之一［8］，微投影光学系统承担着传递图像的功能，其体积和效率决定着近眼显示设备的品质。具有高效紧凑型的自发光微型投影系统的近眼显示设备将成为元宇宙消费市场的主流发展趋势。

目前传统微投影光学系统仍存在结构复杂、体积较大等缺陷，而采用自发光光源作为投影光源和像源，其与投影镜头存在光瞳匹配的问题，需要权衡像质、效率等光学性能和系统体积。针对这一问题，本文开展了基于μLED 的超微型投影显示光学引擎的设计研究，通过对微投影成像镜头的优化，实现了微投影系统体积与投影像质的平衡，并基于μLED 的光分布特性，探索了与微投影镜头光瞳接收角相匹配的μLED 显示芯片的最佳发散角度。该系统可为自发光微型投影系统的研究与设计提供参考，未来有望应用在搭载超微型投影光学引擎的近眼显示设备上。

2 μLED 微投影光学系统架构

2.1 主流微型投影光学系统对比

基于被动发光技术发展的微投影光学系统，如LCoS 微投影光学系统和DLP 微投影光学系统，虽然系统体积上已经达到微型化，但仍有较为复杂的照明光路和成像光路结构［9］，加上采用效率较低的被动发光源，光能利用率有限。而基于自发光显示技术开发的微投影光学系统，如Micro-OLED 微投影光学系统和μLED 微投影光学系统，具有更加紧凑的结构。由于Micro-OLED 和μLED 的优异特性，自发光微投影光学系统还在光源亮度和性能功耗上具有巨大优势，与被动发光微投影系统相比，响应速度更快、效率更高、功耗更低，更契合超微型投影、近眼显示等设备的发展方向。

自发光微投影光学系统的开发一直是研究的热点。如图1 所示，早在2009 年，香港科技大学刘召军团队成功研制了世界上第一台紧凑结构全 彩 的 三 片 式LED 微 型 投 影 仪［10-11］，为 后 来μLED 彩色化方案和显示微型投影显示的发展提供了创新思路。2010 年，德国梅泽堡应用科学大学的Großmann 等人开发出基于自发光OLED 芯片的单色微型投影系统［12］，该微投影系统体积小于10 cm3，在结构远小于传统结构的同时还具有良好的光学特性。2020 年，日本索尼（SONY）公司开发出世界最小的OLED 微投影显示模组，该模组的体积仅有0.66 cm3，同时还具有较高的光学效率［13］。2021年，香港JBD 公司发布了μLED 全彩微投影光学引擎［14］，体积仅为1.35 cm3，其入眼亮度高达1 000 cd/m2目前已在近眼显示投影设备上应用。

图1 （a）世界上第一台紧凑结构全彩LED 微型投影仪样机［11］；（b）基于自发光OLED 芯片的单色微型投影系统［12］；（c）世界上最小的OLED 微显示投影设备［13］；（d）μLED 全彩微投影光学引擎［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］.

虽然Micro-OLED 与μLED 同属自发光光源，但由于Micro-OLED 在显示亮度上远不及μLED且OLED 器件存在寿命上的劣势［15］，使得μLED 成为应用在下一代显示设备上的最有力竞争者［16］。表1显示了主流微投影光学系统的性能对比及实体结构图［17］。

表1 主流微投影系统性能对比及实体结构图Tab.1 Performance comparison of mainstream pico-projection systems and structure diagram

2.2 μLED 微投影光学系统参数

图2 显示了单片式μLED 微投影光学系统的光路原理图。可以看到其结构大幅简化，系统仅由单片μLED 显示芯片和微投影镜头组成，由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Fig.2 Schematic of the μLED pico-projection optical system

本文采用香港JBD 公司开发的3.302 mm(0.13 in) JBD4UM480P 型红光μLED 微显示器作为微投影显示系统的光源和像源单元。该μLED显示芯片的有效发光区域大小为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。其具体参数如表2 所示。

表2 μLED 显示芯片部分参数Tab.2 Parameters of μLED display panel

3 μLED 微投影光学系统镜头设计

3.1 投影镜头设计指标

成像镜头的设计是μLED 微投影光学系统的核心，在设计中要保证镜头体积足够小的同时还具有较好成像质量是非常困难的。一方面，要设计出与小尺寸μLED 显示芯片适配的微型投影镜头。另一方面，更小尺寸的镜头具有更小的孔径，这会导致镜头成像质量的下降［18］。因此，需要在镜头的尺寸和镜头的成像质量之间取得平衡。系统体积和像质的平衡是微投影光学系统的设计关键［19］。本文所设计的微投影光学系统的目标总体积应不超过20 mm3，中心视场的调制传递函数（MTF）目标值在截止频率处接近0.5。

通常投影镜头采用反向设计方法［20］。在本系统中，像高y的大小由μLED 发光芯片对角线长度L确定：

对于微投影光学系统而言，影响系统长度的因素主要包括镜片数量N、镜头第一面顶点到最后一面顶点的镜头长度OAL 和镜头最后表面到像面的镜头后截距BFL 等。考虑到系统体积与像质的设计目标，镜片数量N应控制在4 片以内。根据几何关系和设计经验［21］，镜头长度OAL 的数值大小LOAL应满足：

后截距BFL 的大小LBFL应满足：

投影镜头的分辨率必须与μLED 发光芯片的分辨率匹配。设投影镜头的截止频率为p，像素尺寸为a，有：

此外，我们还计算了其他参数和设计指标，具体镜头设计参数如表3 所示。

表3 镜头参数及设计指标Tab.3 Parameters and design indicators of the lens

3.2 投影镜头的设计及评价

利用CODE V 光学设计软件设计了由4 片球面玻璃组成的微投影镜头，经优化后最终面型数据如表4 所示。

表4 μLED 微投影镜头各表面数据Tab.4 Each surface data of the μLED pico-projection lens

微投影镜头的光路图如图3 所示。该镜头的数值孔径（NA）为0.14，OAL 值和BFL 值分别为1.3 mm 和3.15 mm，最终系统总体积约为18.35 mm3。

图3 μLED 微投影镜头的光路Fig.3 Structure of optical path for μLED pico-projection lens

微投影光学对镜头的光学性能进行了分析，其中MTF 曲线图如图4 所示，中心视场的MTF值在截止频率121 lp/mm 处超过0.57。因此，该微投影光学系统的体积和像质均满足设计指标。

图4 μLED 微投影镜头的MTF 曲线Fig.4 MTF curves of the μLED pico-projection lens

对微投影镜头的像差进行了分析，图5（a）为微投影镜头的点列图，可以看出各视场下弥散斑的均方根半径小于2.7 μm，而艾里斑半径尺寸值为2.51 μm，表明系统具有较小的色差。微投影光学系统的场曲和畸变曲线如图5（b）所示，可以看出场曲对该系统的影响较小，而系统的最大视场畸变大小仅为1.5%，满足实际成像需求。

图5 系统像差图。（a）点列图；（b）场曲畸变曲线。Fig.5 System aberration diagram. （a） Point column diagram； （b） Field curve distortion curve.

4 μLED 微投影系统的光源特性

4.1 μLED 的光源分布特性

通常μLED 显示芯片上子像素可达百万个，具有非常高的光源亮度，但其每个子像素的光源近似为朗伯光源，光强在空间呈余弦分布，发散角以中心轴对称分布。图6（a）、（b）分别显示了μLED 芯片中单个像素在XY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。可以看出，当像素发散半角θtotal_half为45°时，此时的空间光通量为总光通量的50%；当发散半角为60°时，空间光通量为总光通量的75%；而若要收集90%的总光通量，像素发散半角应控制在72°左右。这样的光分布必然会导致μLED 显示像素间存在严重的串扰［22］，同时还会因为大量无法利用的光而降低系统的光能利用率，因此μLED 显示芯片直接应用在投影显示系统中将存在光能利用率较低的问题［23］。

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。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 微投影系统中的光能利用关系

提升μLED 微投影光学引擎光能利用率的关键是如何通过成像镜头收集并有效投射更多的光能。以朗伯光分布的情况，在考虑微投影光学系统各部分结构的光学性能损耗后，μLED 光源经过光学系统后能投射到目标面的光能量只有极少部分［24］。

图7 显示了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。通常成像镜头的孔径角θcapture由其数值孔径确定，μLED 光源出射角θtotal内只有部分小角度θin的光源可被镜头收集并投射，而大部分出射角都在镜头光瞳的接收角之外，造成光能量的浪费，这也是微投影光学系统光能利用率较低的主要原因。

图7 μLED 微投影系统中的光能利用关系Fig.7 Light energy utilization relationship in μLED picoprojection system

通过增大镜头数值孔径和提高光源的亮度是两种提升投影镜头光能收集能力的方法，但这些都可能导致更大的系统体积和更多的光能量损失。更有效的办法是，对μLED 光源进行预先整形 处理［25］，即对μLED 像素的发散角进行缩束，将更多的光源出射光引导到投影镜头中来提高μLED 显示芯片与微投影成像镜头的光学耦合效率，从而提高整个系统的光能利用率。而将μLED 光源较大的发散角约束到与微投影镜头光瞳接收角相匹配的角度范围还需要进一步研究。本文在微投影镜头的数值孔径固定的情况下，通过改变μLED 显示芯片的发散角度来研究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，实现系统的高效耦合。

4.3 μLED 微投影系统的光源要求

通过研究μLED 显示芯片的发散角与微投影镜头光瞳接收角的匹配关系，可为μLED 光源整形提供有效参考，实现更高光效的微投影光学系统。

图8 为固定孔径角θcapture=8.05°（NA=0.14）的投影镜头对μLED 光源的不同发散半角的耦合效率ηcoupling及系统效率ηsystem的曲线图。其中耦合效率ηcoupling定义为μLED 光源发散半角为θtotal_half时，进入镜头的θin角度光线内光通量与发散角内总光通量的比值：

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

系统效率ηsystem定义为经微投影镜头投射到屏幕或者系统下一接收面上的光通量Φscreen与μLED 发出的总光通量Φtotal之间的比值：

可以看出，当μLED 光源的发散半角θtotal_half小于10°时，镜头的耦合效率ηcoupling和系统效率ηsystem始终维持在20.5%附近；而当发散半角θtotal_half增大到10°之后，投影镜头对光源的耦合效率和系统效率大幅下降。考虑到微准直系统的准直效率 与 系 统体积的 关 系［26］，20°（半角为±10°）的μLED 显示芯片光源发散角为此微投影光学系统的最佳光源角度。

5 原理验证

在以上设计研究的基础上，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“福州大学”图案，较好地验证了本文工作的可行性，对于样机的进一步研究工作将在以后的工作中开展。

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

6 结 论

本文针对当前被动式微投影光学引擎结构复杂、效率不高的缺陷，设计了基于μLED 超微型投影光学系统，该微投影系统的体积仅为18.35 mm3，镜头在截止频率处中心视场的MTF值超过0.57。根据μLED 显示芯片的光强分布特点，探讨了μLED 显示芯片的发散角度与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，可实现更高光效的μLED 微投影系统。本文实现的超微型μLED 投影显示光学引擎设计在系统体积与成像像质之间取得了较好的平衡，未来有望在近眼显示、可穿戴设备等场景中得以应用。