CN115016213B - 一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实现Micro‑LED彩色化投影的光学引擎，包括Micro‑LED芯片、驱动电路基板、微透镜阵列、量子点色转换膜、合色棱镜以及投影物镜。所述的Micro‑LED芯片阵列安装在驱动电路基板上，量子点色转换膜紧贴于Micro‑LED芯片阵列上方，微透镜阵列安装在量子点色转换膜上与Micro‑LED芯片阵列一一对应。本发明可实现Micro‑LED单芯片以任意角度合色实现全彩化投影，降低了投影彩色化的成本，具有更大的灵活性和更小的体积。

Description

一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎

技术领域

本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎。

背景技术

投影技术历经三代变革，第一代投影技术采用阴极射线管作为成像器件，器件内的荧光粉在高压作用下经发光系统放大、会聚，在屏幕上显示出彩色图像。第二代投影技术采用液晶光板进行图像调制，经投影系统对图像进行传输与显示。随着人们对产品舒适度要求的提高，投影技术已在第二代技术的基础上，向高亮度、高质量、微小型等方面发展。其中，微型投影仪是第三代投影仪的主要发展方向，其具有体积小、显示尺寸大、光能利用率高等特点。目前应用最广泛的投影系统为硅基液晶板(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)和数字光处理(Digital Light Processing，DLP)系统。因为这两种系统的显示单元都是不主动发光的，导致光的利用率很低，而且DMD的生产成本较高、LCOS难以进行良好散热。近年来，被视为新一代显示面板技术的Micro-LED技术，受到广泛关注。Micro-LED显示器主要基于无机氮化镓基(GaN)发光二极管，与液晶显示器(LCD)和有机发光二极管(OLED)显示器相比，Micro-LED显示相比于其他显示技术具有自发光、高对比度、高分辨率、高可靠性、寿命长、功耗低等诸多优势。Micro-LED显示被认为是将颠覆传统的新一代显示技术。作为一种新型的显示技术，Micro-LED不仅具有ns级别的响应性能，材料性能稳定，可靠性高，发光效率好，颜色纯度高等特点。Micro-LED在光效、对比度诸多指标上优于OLED，仅从技术上看完全有机会取代OLED，有望成为继OLED之后推动显示质量提升的第三代显示技术。利用Micro-LED分辨率高，芯片尺寸下，亮度高的特点可是Micro-LED投影做的更微型化，为人们日常娱乐、工作带来极大的便利，这使得发展Micro-LED投影成为了投影技术发展的趋势。

目前在投影技术中为实现彩色化，有采用三片Micro-LED屏幕单独显示红、绿、蓝三种颜色，然后通过合色棱镜实现彩色化，也有用叠层的Micro-LED来实现彩色化，但发光效果不是很好，还有就是使用背光技术，然后通过彩色滤光片来实现投影的全彩化。目前因Micro-LED工艺难度较高，导致Micro-LED芯片价格昂贵。利用三片Micro-LED屏幕实现彩色化的方式就存在价格昂贵的缺点，而用彩色滤光片存在频谱带宽宽的问题，过滤的三基色光的色纯度不高导致投影设备的色域不够高，传统设计的光引擎存在灵活性差且体积较大等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎，提高色彩准度以及提高设备灵活性，且体积小。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎，包括：柔性的蓝光Micro-LED微显示芯片，提供自发光图像源，该蓝光Micro-LED微显示芯片含有至少一个独立显示区域，每个独立显示区域分别用于显示不同色的图像源，各个独立区域具有相同数量及排布间距的Micro-LED像素点，每相邻区域可进行0至180°角度的折叠或弯曲；该光学引擎还具有一个合色装置和投影镜头，合色装置用于将各个独立显示区域的图像合成为一同方向的光路形成彩色图像，并通过投影镜头投影至屏幕上。

在一较佳的实施例中,所述蓝光Micro-LED微显示芯片具体为高密度、单个像素尺寸在50微米以内的微显示芯片,每个像素是一个独立的Micro-LED发光单元，每一个Micro-LED像素都可定址,并单独驱动点亮；该蓝光Micro-LED微显示芯片相邻独立显示区域之间至少存在一种铰链结构，该铰链结构使Micro-LED芯片弯曲折叠α角度，并使其保持α角度弯曲折叠的稳定状态；该铰链结构具有两片固定片分别位于折痕的两边，通过粘合剂使固定片固定在蓝光Micro-LED微显示芯片背面，靠近折痕一端的固定片是一个带有齿轮的驱动杆，两片固定片中间通过一套齿轮传动组合连接；以折痕为中心线的像素点不参与图像显示发光。

在一较佳的实施例中,各个显示区域之间的弯曲或折叠角度范围为α，且满足0≤α≤90°；当α＝0°时，该Micro-LED屏为平整的平面屏幕；当α＝90°时，该Micro-LED屏相邻两块显示区域相互垂直。

在一较佳的实施例中,各独立显示区域的Micro-LED芯片发光颜色不相同，即在每个独立区域制备发出某个颜色的Micro-LED芯片像素阵列；采用量子点色转换方案，即多个显示区域中应至少有一个区域附量子点色转换像素薄膜，用于将蓝光转换为其他基色光的图像，且量子点色转换像素薄膜上的像素排布应与Micro-LED像素排列一一对应。

在一较佳的实施例中,Micro-LED芯片像素或者量子点色转换像素薄膜上设置有准直微透镜阵列，用于准直经量子点色转换薄膜发射的像素光束，与像素形成一对一或多对一的空间对应关系，准直微透镜通过某种粘合剂使其牢固地与Micro-LED芯片或量子点色转换薄膜连接起来。

在一较佳的实施例中,当Micro-LED为蓝光时，实现全彩化投影选用红、绿量子点色转换像素薄膜位于蓝光Micro-LED和准直透镜阵列之间，紧贴于蓝光Micro-LED微显示芯片上，或紧贴于准直透镜阵列上；量子点色转换膜可像素化与蓝光Micro-LED像素对准，并采用黑矩阵分隔，所述量子点色转换膜采用第Ⅱ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点材料，通过溅射、移印或旋涂沉积后经退火处理，由光刻、打印、丝网印刷等图案化制备工艺得到；量子点色转换像素薄膜的转换波长为495～780nm之间，半峰宽≤40nm，且膜厚低于15微米。

在一较佳的实施例中,合色装置用于实现独立显示区域出射光的合色，在Micro-LED微显示芯片处于未折叠或未弯曲即α＝0°或为0<α<90°的情况时，为实现三基色光的合色至少需要三个棱镜的组合，则：第一棱镜，用于全反射第一基色光图像光；第二棱镜，用于全透射第二基色光图像光和全反射第一基色光图像光和第三基色光图像光，其典型形式为由四块等腰直角棱镜拼接而成的正方形X棱镜；第三棱镜，用于全反射第三基色光图像光；当Micro-LED微显示芯片处于α＝90°的情况时，第一基色光图像光和第三基色光图像光只需通过第二棱镜全反射即可；第一棱镜和第三棱镜的典型形式为等腰直角三角形的反射棱镜；第一棱镜、第二棱镜与第三棱镜间通过粘合剂，使等腰三角形全反射棱镜与X棱镜牢固地连接起来。

在一较佳的实施例中,第一棱镜、第三棱镜用于使光路转向的膜是用Ta2O5和SiO2材料采用离子辅助蒸发法制作的反光膜；该工艺过程主要分为以下几步：

S1：将镀膜基片用无水乙醇洗净，并用热风吹干；

S2：控制基片温度为200℃，氧气流量18sccm，沉积速率0.5-1.5nm/s，对基片进行镀膜；

S3：热处理，将基片放在马福炉中加热至500℃后保温2h，并让其随炉冷却。

在一较佳的实施例中,设Micro-LED微显示芯片发光光轴方向与第二棱镜入射端面垂直方向夹角为β，则通过第一棱镜及第三棱镜的外形设计，应使光轴偏转方向偏转β，与入射端面垂直方向重合。

在一较佳的实施例中,所述投影成像镜头是由传统透镜组组成，或由融合了偏振元件及超表面的镜组组成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：采用的是量子点作为色转换层，量子点具有宽吸收，窄发射的特点，量子点色转换膜的色彩更纯净，能带来更高的色彩准度，具有更大的灵活性以及更小的体积；本发明最大的特点是只采用了一块柔性的蓝光Micro-LED芯片，通过分成三个区域来实现了红绿蓝图像的单独显示，三个区域为一个整体，因每个Micro-LED芯片可通过驱动电路基板来单独控制，所以可实现三个区域的划分来实现用一块Micro-LED解决彩色化问题，从而降低了投影系统的成本；因为采用的是柔性Micro-LED芯片，所以三个区域之间可实现一定角度的弯曲折叠实现更加紧凑的投影系统。

附图说明

图1为本发明优选实施例中Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为0°的情况时的实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构示意图；

图2为本发明优选实施例中Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为0-90°的情况时的实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构示意图；

图3为本发明优选实施例中Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为90°的情况时的实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构示意图；

图4为本发明优选实施例中Micro-LED芯片采用的有源选址驱动电路的原理示意图。

附图标记

1-驱动电路基板、2-蓝光Micro-LED芯片阵列、15-投影成像镜头、16-红色量子点色转换膜、17-微准直阵列、18-绿色量子点色转换膜、101-第一基色全反射膜、102-第三基色全反射膜、141-X合色棱镜、142-直角三角形全反射棱镜、143-直角三角形全反射棱镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

微型发光二极管(Micro-LED)显示技术的出现，使得投影显示设备可以变得更小。Micro-LED显示技术是将传统LED微缩化后形成微米级间距LED阵列以达到超高密度像素分辨率，也就是说，Micro-LED阵列就是高密度集成的微米级间距的LED阵列，阵列中的每一个LED均可以作为一个像素点，被独立的定址、点亮.换言之，该Micro-LED阵列中每个LED像素都能自发光，通过对每个LED发光强度的精确控制，进而实现图像显示，即该Micro-LED阵列能够直接发出图像光。其次，MicroLED除了能达到高亮度、超高分辨率、色彩饱和度与发光效率高的特点外，更重要的是不会受水汽、氧气或高温的影响,因而该Micro-LED在稳定性、使用寿命、工作温度等方面具有明显的优势。

为解决投影显示的彩色化问题，本发明提供了一种实现Micro-LED彩色化投影的光引擎，能够投影出彩色的图像。具体地,如图1至图4所示,根据本发明的一实施例的一种实现Micro-LED彩色化投影的光引擎被阐明,其中所述一种实现Micro-LED彩色化投影的光引擎包括：蓝光Micro-LED芯片阵列2和驱动电路基板1，所述蓝光Micro-LED芯片阵列2被可通电地集成于所述驱动电路基板1上,以便控制所述蓝光Micro-LED芯片阵列2的定址点亮。红色量子点色转换膜16、绿色量子点色转换膜18和微准直阵列17，所述量子点色转换膜用于将蓝光转换为红光和绿光，微准直阵列17用于对经过量子点色转换膜发出的光进行准直处理，使得X合色棱镜141接收到的是准直光。直角三角形全反射棱镜142用于全反射经准直过后的第一基色光到X合色棱镜141里面，直角三角形全反射棱镜143用于全反射经准直过后的第三基色光到X合色棱镜141里面。第一基色全反射膜101用于全反射第一基色准直光，第三基色全反射膜102用于全反射第二基色准直光。X合色棱镜141用于将第一、二、三基色光合成彩色图像光，并将彩色图像光反射给投影成像镜头15，投影成像镜头15再将彩色图像光进行投影成像。

所述微准直阵列17的微准直元件与所述蓝光Micro-LED芯片阵列2所述Micro-LED一一对应，也就是说,所述微准直阵列17中的一个微准直元件对应所述蓝光Micro-LED芯片阵列2中的一个Micro-LED，使得每个Micro-LED的发光路径中仅存在一个微准直元件。Micro-LED芯片的发光角度过大，将其阵列化后，不合适的芯片间距会产生光线窜扰干涉，或造成芯片之间发光暗区，采用本实施例可使Micro-LED芯片光源经量子点色转换膜之后被微准直元件控制在一个小角度范围内，使Micro-LED芯片光源之间既不会造成严重窜扰干涉，又可弥补单颗芯片光束中间亮度高，边缘亮度低会导致暗区的不足问题。

所述微准直阵列17的微准直元件为微准直透镜、锥棒、菲涅尔透镜以及TIR透镜中的一种。微准直元件通过某种粘合剂使其牢固地与量子点色转换薄膜连接起来。

所述的量子点色转换膜(16,18)采用的是具有高耐水、氧特性与核壳结构的高性能量子点，量子点与聚合物、散射粒子等混合，并采用磁力搅拌器或超声机使其混合均匀。接着，对玻璃基板进行清洗，分别用丙酮、异丙醇和去离子水超声15分钟，然后用氮气吹干。最后，利用自动涂膜机在干净的玻璃基板上涂覆一层均匀、厚度可控的量子点浆料，并在120℃下加热30分钟进行固化，形成量子点色彩转换膜。

本实施例采用的Micro-LED芯片为Micro-LED倒装芯片，倒装结构采用倒装工艺实现，倒装工艺是未来发展趋势。倒装芯片结构从上至下依次为蓝宝石衬底、N型半导体层，发光层，P型半导体层和电极，与正装结构相比，该结构中PN结处产生的热量不经过衬底即可直接传导到热沉，因而散热性能良好，芯片发光效率和可靠性较高；倒装结构中，p电极和n电极均处于底面，避免了对出射光的遮挡，芯片出光效率较高；此外，倒装芯片电极之间距离较远，可减小电极金属迁移导致的短路风险。封装密度大大增加,是正装芯片的十几倍，封装体积急剧缩小，只有正装芯片的20％～30％；剥离蓝宝石基板,取光效率增加。

本发明中驱动Micro-LED芯片阵列发光的驱动电路采用的有源选址驱动,如图3所示，在有源选址驱动电路中，每个Micro-LED像素有其对应的独立驱动电路，驱动电流由驱动晶体管提供。

实现全彩化投影可选用红、绿量子点色转换像素薄膜位于蓝光Micro-LED芯片阵列2和微准直阵列17之间，可以紧贴于蓝光Micro-LED芯片阵列2上，也可以紧贴于微准直阵列17上。量子点薄膜也可以通过添加表面微结构来辅助准直经过量子点色转换薄膜的光，量子点色转换薄膜表面的微结构可以但不限于通过压印技术来制作，压印技术是一种制作微结构的常用方法，其具有制作工艺简单、加工时间短和成本低等优势，而且制得的微结构能达到较高的分辨率，一致性好。

附图1是当蓝光Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为0°的情况时的实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构示意图。此时蓝光Micro-LED芯片阵列2被划分为三个区域。蓝光Micro-LED芯片阵列发出的蓝光被划分的一、三区域上方的红、绿量子点色转换层转换成红光和绿光。第二区域不添加色转换层出射蓝光。出射的红、绿光在直角三角形全反射棱镜142和直角三角形全反射棱镜143的作用下将红、绿光反射到X合色棱镜141里面，红、绿光再在第一基色全反射膜101和第三基色全反射膜102的作用下出射给投影成像镜头15。附图2和图3示出了根据图1实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构的二个变形实施方式。具体地,如图2所示,相比于图1实现Micro-LED彩色化投影的光引擎结构，与本发明的所述实施方式中所述蓝光Micro-LED芯片阵列2区别在于：实施例中的柔性蓝光Micro-LED芯片阵列2分成了至少三个独立显示的区域，每个独立显示区域分别用于显示不同基色的图像。每相邻显示区域可进行0～180°角度之间的折叠或弯曲，图2为相邻显示区域Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为0-90°的情况，此时经过量子点色转换薄膜的光直接通过微准直阵列2进入X合色棱镜141。此微准直阵列17是带有β角度光束准直的准直阵列，与折叠或弯曲的Micro-LED微显示芯片之间的角度α相匹配，α与β互为余角，0≤β≤90°各个显示区域之间的弯曲或折叠角度范围为α，且满足0≤α≤90°。该准直阵列可使第一、三单基色光束沿棱镜面法线方向垂直进入合色棱镜。直角三角形全反射棱镜(142、143)的锐角是与蓝光Micro-LED微显示芯片之间的弯曲角度α相匹配的，使得直角三角形全反射棱镜的θ角等于α角。图3为相邻显示区域Micro-LED微显示芯片处于折叠或弯曲为90°的情况，与相邻显示区域之间没有折叠或弯曲的不同的是图3不需要直角三角形全反射棱镜142和直角三角形全反射棱镜143，此时经过量子点色转换层的光直接通过微准直阵列2进入X合色棱镜141。

Claims (6)

1.一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎，包括：柔性的蓝光Micro-LED微显示芯片，提供自发光图像源，该蓝光Micro-LED微显示芯片含有至少一个独立显示区域，每个独立显示区域分别用于显示不同色的图像源，各个独立区域具有相同数量及排布间距的Micro-LED像素点，每相邻区域可进行0至180°角度的折叠或弯曲；该光学引擎还具有一个合色装置和投影镜头，合色装置用于将各个独立显示区域的图像合成为一同方向的光路形成彩色图像，并通过投影镜头投影至屏幕上；

所述蓝光Micro-LED微显示芯片具体为高密度、单个像素尺寸在50微米以内的微显示芯片,每个像素是一个独立的Micro-LED发光单元，每一个Micro-LED像素都可定址,并单独驱动点亮；该蓝光Micro-LED微显示芯片相邻独立显示区域之间至少存在一种铰链结构，该铰链结构使Micro-LED芯片弯曲折叠α角度，并使其保持α角度弯曲折叠的稳定状态；该铰链结构具有两片固定片分别位于折痕的两边，通过粘合剂使固定片固定在蓝光Micro-LED微显示芯片背面，靠近折痕一端的固定片是一个带有齿轮的驱动杆，两片固定片中间通过一套齿轮传动组合连接；以折痕为中心线的像素点不参与图像显示发光；

各个显示区域之间的弯曲或折叠角度范围为α，且满足0≤α≤90°；当α=0°时，该Micro-LED屏为平整的平面屏幕；当α=90°时，该Micro-LED屏相邻两块显示区域相互垂直；

各独立显示区域的Micro-LED芯片发光颜色不相同，即在每个独立区域制备发出某个颜色的Micro-LED芯片像素阵列；采用量子点色转换方案，即多个显示区域中应至少有一个区域附量子点色转换像素薄膜，用于将蓝光转换为其他基色光的图像，且量子点色转换像素薄膜上的像素排布应与Micro-LED像素排列一一对应；

Micro-LED芯片像素或者量子点色转换像素薄膜上设置有准直微透镜阵列，用于准直经量子点色转换薄膜发射的像素光束，与像素形成一对一或多对一的空间对应关系，准直微透镜通过某种粘合剂使其牢固地与Micro-LED芯片或量子点色转换薄膜连接起来；

微准直阵列是带有β角度光束准直的准直阵列，与折叠或弯曲的Micro-LED微显示芯片之间的角度α相匹配，α与β互为余角，0≤β≤90°各个显示区域之间的弯曲或折叠角度范围为α，且满足0≤α≤90°。

2.根据权利要求1所述的一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎,其特征在于,当Micro-LED为蓝光时，实现全彩化投影选用红、绿量子点色转换像素薄膜位于蓝光Micro-LED和准直透镜阵列之间，紧贴于蓝光Micro-LED微显示芯片上，或紧贴于准直透镜阵列上；量子点色转换膜可像素化与蓝光Micro-LED像素对准，并采用黑矩阵分隔，所述量子点色转换膜采用第Ⅱ-Ⅵ或Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点材料，通过溅射、移印或旋涂沉积后经退火处理，由光刻、打印、丝网印刷等图案化制备工艺得到；量子点色转换像素薄膜的转换波长为495～780nm之间，半峰宽≤40nm，且膜厚低于15微米。

3.根据权利要求2所述的一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎,其特征在于,合色装置用于实现独立显示区域出射光的合色，在Micro-LED微显示芯片处于未折叠或未弯曲即α=0°或为0<α<90°的情况时，为实现三基色光的合色至少需要三个棱镜的组合，则：第一棱镜，用于全反射第一基色光图像光；第二棱镜，用于全透射第二基色光图像光和全反射第一基色光图像光和第三基色光图像光，其典型形式为由四块等腰直角棱镜拼接而成的正方形X棱镜；第三棱镜，用于全反射第三基色光图像光；当Micro-LED微显示芯片处于α=90°的情况时，第一基色光图像光和第三基色光图像光只需通过第二棱镜全反射即可；第一棱镜和第三棱镜的典型形式为等腰直角三角形的反射棱镜；第一棱镜、第二棱镜与第三棱镜间通过粘合剂，使等腰三角形全反射棱镜与X棱镜牢固地连接起来。

4.根据权利要求3所述的一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎,其特征在于,第一棱镜、第三棱镜用于使光路转向的膜是用Ta2O5 和SiO2材料采用离子辅助蒸发法制作的反光膜；该工艺过程主要分为以下几步：

S1：将镀膜基片用无水乙醇洗净，并用热风吹干；

S2：控制基片温度为200℃，氧气流量18sccm，沉积速率0.5-1.5nm/s，对基片进行镀膜；

S3：热处理，将基片放在马福炉中加热至500℃后保温2h，并让其随炉冷却。

5.根据权利要求4所述的一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎,其特征在于,设Micro-LED微显示芯片发光光轴方向与第二棱镜入射端面垂直方向夹角为β，则通过第一棱镜及第三棱镜的外形设计，应使光轴偏转方向偏转β，与入射端面垂直方向重合。

6.根据权利要求5所述的一种实现Micro-LED彩色化投影的光学引擎,其特征在于,所述投影成像镜头是由传统透镜组组成，或由融合了偏振元件及超表面的镜组组成。