CN112798234B - 一种Micro LED颜色均匀性检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Micro LED颜色均匀性检测系统，包括沿待检测的Micro LED光源的光路方向顺次设置的微透镜阵列、超表面微透镜阵列和探测器件；微透镜阵列靠近Micro LED光源的一侧设置有多个周期性间隔排列且与Micro LED光源中的发光单元一一对应的微透镜，每个微透镜将Micro LED光源中的一个发光单元输出的发散光调制为平行光；超表面微透镜阵列远离微透镜阵列的一侧设置有多个周期性间隔排列且与微透镜阵列中的微透镜一一对应的超表面结构，用于将各微透镜输出的平行光分开投射在探测器件的探测面阵上的不同区域；本发明将不同芯片单元的光充分地分离并聚焦在光电探测器的不同位置，从而可以单独检测到每个Micro LED芯片单元的波长特性，具有分辨率高的优点，提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明属于设备检测技术领域，更具体地，涉及一种基于超表面微透镜阵列的Micro LED颜色均匀性检测系统。
背景技术
Micro LED技术是一种LED微缩矩阵化技术，相比于LCD和OLED，Micro LED在亮度、效率、分辨率、可靠性以及响应速度等方面具有显著优势。在进行巨量转移以后，为了提升和确保Micro LED显示器的良品率，检测技术将是制造过程中不可或缺的关键步骤。对于普通LED的检测主要包括：发光波长、亮度、颜色均匀性等。
由于Micro LED的芯片集成度高，其尺寸在50µm以下，相邻两个Micro LED芯片单元之间的间隔只有几微米，因此每个芯片单元发出的光会和周围的芯片单元发出的光相互交叠，如果采用传统光谱仪进行检测，则无法区分接收到的信号具体是由哪个芯片单元发出的，导致检测结果出现很大失误，检测精度低。因此，目前绝大多数传统LED检测技术都无法再适用于Micro LED的检测，有必要开发一种实时快速、分辨率高且准确的检测技术来满足当前Micro LED芯片的检测需求。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种Micro LED颜色均匀性检测系统，其目的在于解决传统LED检测技术的分辨率低，无法适用于Micro LED的检测的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种Micro LED颜色均匀性检测系统，包括沿待检测的Micro LED光源的光路方向顺次设置的微透镜阵列、超表面微透镜阵列和探测器件；
所述微透镜阵列，其靠近Micro LED光源的一侧设置有多个周期性间隔排列且与Micro LED光源中的发光单元一一对应的微透镜，每个所述微透镜用于将Micro LED光源中的一个所述发光单元输出的发散光调制为平行光；
所述超表面微透镜阵列，其远离微透镜阵列的一侧设置有多个周期性间隔排列且与微透镜阵列中的微透镜一一对应的超表面结构，用于将各微透镜输出的所述平行光分开投射在所述探测器件的探测面阵上的不同区域。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，所述超表面微透镜阵列中的每个超表面结构还用于将微透镜输出的所述平行光进行色散分光，输出R、G、B三原色光并将其分开投射在所述探测面阵的同一区域的不同位置；
每个所述超表面结构中包括三种具有不同尺寸的亚波长柱，每种所述亚波长柱用于通过相位调制选择性输出RGB单色光的其中一种。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，
每种所述亚波长柱的尺寸满足对单色光的调制相位为2π；
输出不同颜色的单色光的亚波长柱的排布方式与所述探测器件中的像素点排布方式相同。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，所述亚波长柱的高度由所探测波段的最大波长、空气的折射率以及柱体材料的折射率共同决定。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，每个所述超表面结构中的亚波长柱为高度相等的长方形柱状结构。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，每个所述超表面结构中包括一根输出R光的亚波长柱，一根输出B光的亚波长柱，以及两根输出G光的亚波长柱。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，每个所述微透镜的尺寸不小于单个发光单元输出的光束尺寸。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，所述微透镜为突起于基底表面的球冠状结构。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统，所述Micro LED光源中相邻两个发光单元投射在探测器件的探测面阵上的平行光之间的距离大于一个像素；
所述Micro LED光源中同一发光单元投射在探测器件的探测面阵上的不同单色光之间的距离大于一个像素。
优选的，上述Micro LED颜色均匀性检测系统还包括控制器；
所述控制器与探测器件电连接，获取Micro LED光源中每个发光单元聚集在所述探测器件的探测面阵上的平行光或单色光并进行亮度检测和对比，实现Micro LED光源的颜色均匀性检测。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
（1）本发明提供的Micro LED颜色均匀性检测系统，采用微透镜阵列将Micro LED光源的各芯片单元发出的发散光调制为平行光，再通过超表面微透镜阵列对入射的平行光分开投射在探测器件的探测面阵上的不同区域，因此不同芯片单元的光能够被充分的分离并且聚焦在光电探测器的不同位置上，从而可以检测到每个Micro LED芯片单元的发光强度，避免相邻的芯片单元发出的光出现相互交叠；通过对比每个Micro LED芯片单元的发光强度，最终实现对Micro LED亮度均匀性的检测，具有分辨率高的优点，提高了检测精度。
（2）本发明提供的Micro LED颜色均匀性检测系统，超表面微透镜阵列中的每个超表面结构中包括三种具有不同尺寸的亚波长柱，每种亚波长柱用于通过相位调制选择性输出RGB单色光的其中一种，其尺寸满足对单色光的调制相位为2π；由于入射的平行光中各色光的入射波长不同，经过不同亚波长柱进行调制后输出的相位也不同，最终不同颜色的单色光聚焦在光电探测器的不同位置上，可以进一步检测到每个Micro LED芯片单元发出的光中包含的不同单色光分量各自的亮度色度，通过对比每个Micro LED芯片单元的波长特性，最终实现对Micro LED颜色均匀性的检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的Micro LED颜色均匀性检测系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例提供的Micro LED颜色均匀性检测系统的光路原理图；
图3是本发明实施例提供的光刻胶热熔成型法制作微透镜阵列的原理图；
图4是本发明实施例提供的Micro LED阵列、微透镜阵列、超表面微透镜阵列和光电探测器面阵的结构匹配关系示意图；
图5是本发明实施例提供的相位调制函数的结构参数示意图；
图6是本发明实施例提供的Micro LED光源中相邻两个发光单元发出的光经过系统后在5*5光电探测器面阵上的色散分布图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：100-Micro LED光源，101-发光单元；200-微透镜阵列，201-微透镜，202-基片，203-光刻胶，204-掩模；300-超表面微透镜阵列，301-亚波长柱；400-光电探测器，401-探测面阵；500-外部电源；600-上位机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
传统的LED测试分为光致发光测试(PL)及电致发光测试(EL)，前者是通过紫外光光致发光进行检测，优点是能够在不损坏且不接触LED芯片的情况下对LED芯片进行测试，但一般只能检测芯片尺寸在50微米以上Micro LED；后者是通过点亮方式进行检测，虽然可能因通电接触而造成芯片损伤，但是检测的精度在50µm以下，作为一个具体的示例，本实施例采用电致发光的方式对Micro LED进行检测。
图1是本实施例提供的一种Micro LED颜色均匀性检测系统的结构组成示意图，包括沿待检测的Micro LED光源100的光路方向顺次设置的微透镜阵列200、超表面微透镜阵列300和光电探测器400；
本实施例中，采用外部电源500为Micro LED供电，点亮后的Micro LED即为MicroLED光源100。
在测试过程中，Micro LED光源100、微透镜阵列200、超表面微透镜阵列300和光电探测器400分别通过载具进行固定；本示例中，Micro LED光源100与载具之间采用的是真空吸附，能够确保Micro LED光源100在载具上保持稳固，外部电源500要保持电压的稳定性。微透镜阵列200、超表面微透镜阵列300以及光电探测器400均处于同一轴线上，其中微透镜阵列200和超表面微透镜阵列300的载具均采用夹持型载具，光电探测器400由CMOS工业相机和双远心镜头组成，同样采用夹持型载具对光电探测器400进行固定。
图2是本实施例提供的Micro LED颜色均匀性检测系统的光路原理图，参见图2，微透镜阵列200主要用于将Micro LED光源100输出的发散光调制为平行光，其靠近Micro LED光源100的一侧设置有多个周期性间隔排列且与Micro LED光源100中的发光单元101（即Micro LED芯片）一一对应的微透镜201。
作为一个可选的实施方式，微透镜阵列200包括透明基底以及突起于该透明基底表面的多个微透镜201，透明基底用于透射Micro LED光源100发出的发散光，以及支撑大量微透镜201。每个微透镜201用于将Micro LED光源100中的一个发光单元101输出的发散光调制为平行光，为了尽可能提高光线透过率，每个微透镜201的尺寸不小于Micro LED光源100中的单个发光单元101输出的光束尺寸。在满足上述尺寸情况下，微透镜201的形状不做具体限制，可以采用圆球形、长方体形或其它相对规则的形状；出于制备工艺的考虑，为了使微透镜阵列200更加易于制备，本实施例中，微透镜阵列200上的微透镜201为突起于透明基底表面的球冠状结构。
在一个具体的示例中，采用常见的光刻胶热熔成型法制作微透镜阵列200，其制备原理如图3所示，首先在基片202上涂上一定厚度的光刻胶203，然后在圆形阵列的掩模204下进行紫外曝光，显影后得到圆柱阵列的光刻胶结构，将光刻胶加热至熔融状态，其表面的张力将圆柱形结构转化为球冠状结构，最终得到需要制备的微透镜阵列200。
超表面微透镜阵列300远离微透镜阵列200的一侧设置有多个周期性间隔排列且与Micro LED光源100中的发光单元101一一对应的超表面结构，同时，超表面微透镜阵列300上的多个超表面结构同样与微透镜阵列200中的微透镜201具有一一对应关系，该超表面结构为边长介于亚波长量级的亚波长柱301，用于将各微透镜201输出的平行光分开投射在光电探测器400的探测面阵401上的不同区域。
Micro LED光源100中相邻两个发光单元101投射在光电探测器400的探测面阵401上的平行光之间的距离大于一个像素，从而满足光电探测器400的最小分辨率。
本实施例中，采用微透镜阵列200将Micro LED光源100的各发光单元101发出的发散光调制为平行光，再通过超表面微透镜阵列300将各微透镜输出的平行光分开投射在光电探测器400的探测面阵401上的不同区域，因此不同发光单元101的光能够被充分的分离并且聚焦在光电探测器400的不同位置上，从而可以检测到每个Micro LED芯片单元的发光强度，通过对比每个Micro LED芯片单元的发光强度，最终实现对Micro LED亮度均匀性的检测。
进一步的，为了实现对Micro LED颜色均匀性的检测，本实施例对超表面微透镜阵列300的结构进行了优化设计，达到色散分光的效果。
图4本实施提供的Micro LED阵列、微透镜阵列、超表面微透镜阵列和光电探测器面阵的结构匹配关系示意图，如图4所示，超表面微透镜阵列300中的每个超表面结构均包括三种具有不同尺寸的亚波长柱301，每种亚波长柱301用于通过相位调制选择性输出RGB单色光的其中一种，输出不同颜色的单色光的亚波长柱301的排布方式与光电探测器400中工业相机探测面阵401的像素点排布方式相同。
作为一个具体的示例，超表面微透镜阵列300包括透明基底以及在透明基底的表面间隔排列的多个超表面结构，该超表面结构根据Micro LED光源100中发光单元101的阵列结构进行周期排列；透明基底用于透射微透镜阵列200输出的平行光，以及支撑超表面结构。其中，每个超表面结构由三种尺寸不同的亚波长柱301按照一定的周期排列而成的，其排布方式取决于光电探测器400中工业相机探测面阵401的像素点排布;每个尺寸的亚波长柱301分别通过相位调制选择输出R、G、B单色光中的其中一种，即每个超表面结构可将一个发光单元101对应的平行光通过色散分光形成R、G、B三原色光。
各超表面结构中，亚波长柱301的高度均相同且介于所探测的波长量级，仅其长宽作为变量，亚波长柱301的边长介于亚波长量级；在一个具体的示例中，亚波长柱301的材料为氮化硅、二氧化硅、非晶硅中的任意一种；亚波长柱301的形状不做具体限制，由于MicroLED光源100中的发光单元101以及光电探测器400中工业相机探测面阵401的像素点的形状均为矩形，为了更好的进行形状匹配以提高光线利用率，因此，本实施例中亚波长柱301优选采用长方形柱状结构；透明基底材料为二氧化硅，其结构同样采用长方形柱状结构。
亚波长柱301的高度由所探测波段的最大波长、空气的折射率以及柱体材料的折射率共同决定，在一个具体示例中，亚波长柱301的高度h满足：
上式中： n s 为二氧化硅的折射率，取为3.41；n i 为空气的折射率，取为1；亚波长柱的最小高度由光波的最大波长λ=633nm确定，所以h取值为263nm。
由于亚波长柱301的透过率与其自身尺寸相关，在高度固定的情况下，通过改变亚波长柱301的长和宽，设计出三种具有不同尺寸的亚波长柱301，分别对RGB三色光的波段具有较高的透过率。将三种不同尺寸的长方形柱状结构进行周期性排列，微透镜阵列200中的同一个微透镜201输出的单色光通过一个超表面结构中的不同尺寸的亚波长柱301会产生不同的相位。亚波长柱301的相位调制公式为：
上式中，
表示每个亚波长柱输出的单色光的相位，即单色光的输出相位；λ d 为入射波长；焦距f为焦点F到超表面中心O点的距离；r p 为超表面上任意一点B到超表面中心O的距离，即r p =OB；θ f 为焦距f和z轴的夹角；φ f 为AO相对于x轴正方向的逆时针旋转角；φ p 为BO相对于x轴正方向的逆时针旋转角，其三维示意图如图5所示。
本实施例中，每种亚波长柱301的尺寸满足对单色光的调制相位为2π，由于入射的平行光中各色光的入射波长不同，经过调制相位为2π的不同亚波长柱301进行调制后，输出的相位也不同，从而达到色散分光的效果；由于每个超表面结构中的三种亚波长柱301的调制相位均为2π，因此亚波长柱301具有聚焦作用，最终不同颜色的单色光聚焦在光电探测器400的探测面阵401的不同位置上。
Micro LED光源100中同一发光单元101投射在光电探测器400的探测面阵401上的相邻的单色光之间的距离大于一个像素，从而满足光电探测器400的最小分辨率。
此外，为了与光电探测器400中工业相机探测面阵401的像素点排布相匹配，本实施例中，每个超表面结构中包括一根输出R光的亚波长柱301，一根输出B光的亚波长柱301，以及两根输出G光的亚波长柱301；四根亚波长柱301按照RGGB/BGGR的方式进行排布。在其中一个超表面结构中，四根亚波长柱301的参数如下：f=25µm，θ f =8°，φ f,R =45°，φ f,G1 =135°，φ f,B =225°，φ f,G2 =315°。
本实施例通过超表面微透镜阵列300将每个Micro LED输出的散射光分解为RGB三原色光，可以进一步检测到每个Micro LED芯片单元发出的光中包含的不同单色光分量各自的亮度色度，通过对比每个Micro LED芯片单元的波长特性，最终实现对Micro LED颜色均匀性的检测。
作为一个可选的实施方式，上述Micro LED颜色均匀性检测系统还包括上位机600；该上位机600与光电探测器400电连接，获取Micro LED光源100中每个发光单元101聚焦在光电探测器400的探测面阵401上的光斑的发光强度，通过亮度检测和对比，实现MicroLED光源100的亮度均匀性检测；或者，获取Micro LED光源100中每个发光单元101聚焦在光电探测器400的探测面阵401上的RGB单色光各自的亮度和色度，检测出Micro LED中每个发光单元101的波长特性后进行比较，实现Micro LED光源100的颜色均匀性检测。
本实施例提供的Micro LED颜色均匀性检测系统属于微米级别的检测系统，因此在操作过程中需要注意以下几点内容：
（1）需要在暗室中进行，减少杂散光的影响；
（2）点亮Micro LED光源100的外部电源500需要比较稳定；
（3）由于微透镜阵列200和超表面微透镜阵列300结构易受损，因此在使用载具夹持时应缓缓用力夹持，以防损坏器件。
在一个具体的示例中，Micro LED光源100具有4×4的发光面阵，即包含4×4个LED芯片单元（发光单元101），每个Micro LED芯片单元视为一个点光源，其直径为6µm，两个相邻的Micro LED芯片单元之间的间距也为6µm。为了与Micro LED光源100的这一结构相匹配，本实施例中，微透镜阵列200同样为4×4的阵列结构，即包含4×4个规律排列的微透镜201，单个微透镜单元的直径为8µm，相邻两个微透镜201的中心距离为12µm。
图6本实施例提供的Micro LED光源100中相邻两个发光单元101发出的光经过系统后在5*5光电探测器面阵上的色散分布图，参见图6，光电探测器400的探测面阵401的单个像元参数为2.4µm×2.4µm，因此12µm*12µm大小的探测面阵401包含5×5个的像元个数。Micro LED光源100发出的光经过微透镜阵列200调制为平行光，光束直径不超过8µm，再经过超表面微透镜阵列300色散分光后，每个Micro LED芯片单元的三色光（中心波长分别为632nm、533nm和430nm）聚焦在12µm×12µm的光电探测器面阵。由于光电探测器400的探测面阵中包含5×5个的像元，因此可以满足不同波长的单色光在探测面阵上的成像位置之间至少相距一个像素大小，从而满足光电探测器的最小分辨率。由图6可知，单个Micro LED芯片单元内不同颜色的单色光在探测面阵上的成像位置之间的间距大于一个像素大小，且相邻两个Micro LED芯片单元的波长探测位置的间距同样大于一个像素大小，因此均满足光电探测的最小分辨率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，包括沿待检测的Micro LED光源的光路方向顺次设置的微透镜阵列、超表面微透镜阵列和探测器件；
所述微透镜阵列，其靠近Micro LED光源的一侧设置有多个周期性间隔排列且与MicroLED光源中的发光单元一一对应的微透镜，每个所述微透镜用于将Micro LED光源中的一个所述发光单元输出的发散光调制为平行光；
所述超表面微透镜阵列，其远离微透镜阵列的一侧设置有多个周期性间隔排列且与微透镜阵列中的微透镜一一对应的超表面结构，用于将各微透镜输出的所述平行光分开投射在所述探测器件的探测面阵上的不同区域；
所述超表面微透镜阵列中的每个超表面结构还用于将微透镜输出的所述平行光进行色散分光，输出R、G、B三原色光并将其分开投射在所述探测面阵的同一区域的不同位置；
每个所述超表面结构中包括三种具有不同尺寸的亚波长柱，每种所述亚波长柱用于通过相位调制选择性输出RGB单色光的其中一种。
2.如权利要求1所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，
每种所述亚波长柱的尺寸满足对单色光的调制相位为2π；
输出不同颜色的单色光的亚波长柱的排布方式与所述探测器件中的像素点排布方式相同。
3.如权利要求2所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，
所述亚波长柱的高度由所探测波段的最大波长、空气的折射率以及柱体材料的折射率共同决定。
4.如权利要求2所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，
每个所述超表面结构中的亚波长柱为高度相等的长方形柱状结构。
5.如权利要求1所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，每个所述超表面结构中包括一根输出R光的亚波长柱，一根输出B光的亚波长柱，以及两根输出G光的亚波长柱。
6.如权利要求1所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，每个所述微透镜的尺寸不小于单个发光单元输出的光束尺寸。
7.如权利要求6所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，所述微透镜为突起于基底表面的球冠状结构。
8.如权利要求1所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，所述Micro LED光源中相邻两个发光单元投射在探测器件的探测面阵上的平行光之间的距离大于一个像素；
所述Micro LED光源中同一发光单元投射在探测器件的探测面阵上的不同单色光之间的距离大于一个像素。
9.如权利要求1所述的Micro LED颜色均匀性检测系统，其特征在于，还包括控制器；
所述控制器与探测器件电连接，获取Micro LED光源中每个发光单元聚集在所述探测器件的探测面阵上的平行光或单色光并进行亮度检测和对比，实现Micro LED光源的颜色均匀性检测。
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