CN114442325A - 一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统。该种光学显示系统包括1)一个或一个以上自发光显示芯片。其中红绿蓝的像素分别被聚集在一起，形成三个或以上的彩色显示区域；2)一个或多个光学显示系统把红绿蓝三个区域的光成像；3)一个或多个耦入装置，把红绿蓝显示区域的光耦入到一个或多个光波导中；4)一个或者几个叠加在一起的光波导；5)一个或多个耦出装置，把经过光波导传播一定距离的光束耦出光波导，打入到观察者的瞳孔眼中，在上述耦入装置和/或耦出装置中，分别包括一套合光装置，使得不同位置的红绿蓝显示区域重合在一起，形成一副全彩色的图像。本申请的技术方案克服了在自发光显示芯片上分别形成红绿蓝子像素的困难，可以实现高分辨率，超小型的显示装置。
Description
技术领域
本发明涉及光学显示技术领域，尤其涉及一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统。
背景技术
本发明是基于美国专利US8845109B2和中国专利ZL200810123156.3进一步技术方案的完善及延续。本发明涉及了一种自发光显示系统，特别是适合于基于光波导的彩色显示系统。
使用硅基液晶(LCOS，Liquid Crystal on Silicon)和微机械(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)的投影显示技术和近眼显示技术被认为是显示器的未来，因为它比直视显示器更有效地利用了硅晶片，但投影显示技术和近眼显示技术的光机效率和尺寸并没有太大的改进。主要原因在于这些显示技术中需要分立的光源和微显示芯片。
自发光显示技术，MicroOLED(微型有机发光二极管)和Micro LED(微型发光二极管)技术在过去几年中发展迅速。亮度、效率和控制电子设备已取得显著进步，已达到可以使用超亮自发光面板替代投影系统中的微型显示器和光源的程度。MicroLED和MicroOLED采用不同的带隙和晶格材料产生不同的RGB颜色。这些不同材料很难使用半导体工艺在相同的Epiwafer上制造。而且在磊晶圆(Epiwafers)上生成Micro LED首先需要进行芯片切割以形成单色子像素，然后使用“拾取和放置”工艺将大量子像素转移到公共电背板上，以形成全彩色显示器。该过程适用于较大的直视显示器，但难以用于需要超高分辨率的投影或近眼(NTE)显示器。然而巨量像素转移(拾取和放置)对于需要亚10微米彩色像素的微型显示器及其困难。导致Micro LED和Micro OLED很难用于投影系统和近眼AR/VR系统。
我们开发了一种称为角彩色投影(ACP)的新型投影光引擎结构，该系统使用单个面板在空间分离的颜色区域显示红绿蓝信息。美国专利US8845109B2，和中国专利ZL200810123156.3已成功地用于具有独立光源的投影系统中。
在本发明中，我们为基于自发光显示芯片和光波导的投影系统和近眼(NTE)显示系统的方案，提出了一种使用光波导的高分辨率、超小型的光机结构。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统，克服了在自发光显示芯片上分别形成红绿蓝子像素的困难，可以实现高分辨率，超小型的显示装置。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现，本发明公开了一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统。具体包括：
1)一个或多个自发光显示芯片。自发光显示芯片可以是Micro LED显示芯片或者Micro OLED显示芯片。与传统Micro LED显示芯片中的红绿蓝子像素不同，本发明采用的显示芯片，将红绿蓝的像素分别聚集在一起，形成三个或者多个红绿蓝区域，其中每一个区域包括了多个像素。这一芯片可以是在一个驱动背板的多个红绿蓝区域，也可以是三个分开的驱动背板控制的三个发光芯片。这些发光芯片被安装在一个足够近的同一个平面上或多个平面上；
2)一个或多个光学显示系统，把红绿蓝三个区域的光成像；
3)一个或多个耦入装置，把红绿蓝的光耦入到一个光波导中；
4)一个或者多个光波导；
5)一个或多个耦出装置，把经过光波导传播一定距离的光束耦出光波导，合成一幅全彩色图像，打入到观察者的瞳孔中，由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，耦入装置和(或)耦出装置还包括了一个或几个合光器件。该合光器件把不同位置的红绿蓝的光线合成成一幅全彩色图像。
在本申请的一种可能实现方式中，自发光显示芯片为Micro LED和Micro OLED之一。
在本申请的一种可能实现方式中，自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在同一个显示芯片上。
在本申请的一种可能实现方式中，自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在不同显示芯片，这些不同的芯片并列排列，足够接近形成一个平面。
在本申请的一种可能实现方式中，所述自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在不同显示芯片，所述不同显示芯片分三面排列在一个合光棱镜上。
显示芯片可以包括三个并排的红绿蓝颜色区域，光学显示系统将红绿蓝区域组合成全彩色图像。红绿蓝区域可以位于共享同一电子驱动背板上，也可以位于三个单独的面板上。合光装置利用光学显示系统中的衍射元件或全息元件或二向色镜将不同颜色的光束反射到不同的角度，从而将红绿蓝组合在一起，形成全彩色图像。
在本申请的一种可能实现方式中，耦入装置为一个或多个衍射光学元件，所述衍射光学原件的周期按照设计要求实现对红绿蓝偏转不同的角度，使得光线耦出时成为一个全彩色图像。
在本申请的一种可能实现方式中，耦入装置进一步包括多个二向色镜层，所述二向色镜分别对红绿蓝的光偏转不同的角度使得光线在耦出时成为一个全彩色的图像。
在本申请的一种可能实现方式中，耦出装置为一个或多个衍射光学元件，所述衍射光学元件的周期按照设计要求对红绿蓝偏转不同的角度，使得光线耦出时成为一个全彩色图像。
上述耦入装置和耦出装置，其中至少有一个是采用衍射装置。衍射装置包括光栅或全息等衍射元件。该衍射元件的周期被调整到对红绿蓝的光线有不同的衍射角度，使得最终在光线耦出时，红绿蓝的光线重合在一起，产生一个全彩色的虚像。
较佳地，耦入装置包括着一个棱镜，该棱镜至少被设置了红绿蓝三个反射面，这些反射面可以用二向色镜实现，每个反射镜只反射不同颜色的光，第1个二向色镜只反射红色的光，第2二向色镜只反射绿色的光，第3个二向色镜反射只反射蓝色的光线，这些二向色镜被控制在不同的角度，使得经过二向色镜反射后的红绿蓝的光线重合在一起。
在本发明的一个可能实现方式中，进一步包括一个合光棱镜。合色棱镜是投影仪中常用的一种光学元件，它的作用是将三基色(红绿蓝)单色光图像组合，形成最终屏幕上的彩色图案。结构上，它是由带有不同镀膜的棱镜，经粘合后制成的。例如，红光反射膜对红光来说是一面镜子，会使红光发生反射；对蓝光和绿光来说相当于一片玻璃，可以被透过。红绿蓝三色图像分别从三个方向入射，经三色棱镜反射后，从同一方向出射，就形成了彩色的图像。普通合光棱镜会把红绿蓝三个芯片的光完全重合成一个彩色光。
作为上述实现方案的变形中，红绿蓝三个芯片的光经过合光棱镜后，并没有被完全重合在一起，有一定的分离，分离的程度和光波导对红绿蓝三色的色散相互补偿，所以可以在一个单层光波导的同一衍射元件实现无色散的彩色显示。
在本申请的所有可能实现方式中，所述耦出装置可以是为衍射光波导或阵列光波导。
在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，各种衍射光波导或阵列光波导可以和本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合，这些新的组合也包含在本发明的保护范围内，并不超出本发明的范畴。
在本申请的一种可能实现方式中，光波导为一层光波导，一个光波导适用于红绿蓝三种不同的颜色，在单层光波导中的一个实施例中。在耦入装置的部分包括了多个不同方向的二向色镜，该二向色镜把来自不同区域的彩色光偏转不同的方向，重合在一起形成全彩色图像。
在单层光波导的另外的一个可能实现方式中，在耦入和耦出装置上采用衍射或全息元件，该元件对不同波长的红绿蓝光有不同的偏转角度，该衍射或全息元件的周期和微显示芯片中红绿蓝的区域的分开距离有关，需要按照预设设计要求进行详细设计，得到衍射或全息元件合适的偏转方向，使得红绿蓝重合成一副彩色图像。
在本申请的一种可能实现方式中，光波导为相互平行设置并叠加在一起的多个所述光波导。
在本申请的一种可能实现方式中，可以是三个光波导叠加在一起，红绿蓝三色的光分别导入不同的三个光波导，三个光波导中分别含有合光器件，合光器件把三个颜色的光合成一幅彩色图像。
较佳地，合光器件是二向色镜。
较佳地，合光器件可以是衍射光学元件。
现有AR眼镜的光学架构很多是基于光波导的，其中光波导采用了衍射光学元件作为耦入或耦出元件，但是由于衍射光学元件原理上和波长有关，存在相当强烈色散，为了解决这一色散问题，很多产品不得不采用三层光波导，导致体积和成本都比较高。
在本申请的一种可能实现方式中，一个或多个所述光学显示系统进一步包括一个光学图像处理装置，所述装置对红绿蓝的光图像做预处理，使得红绿蓝图像最终重合在一起。
红绿蓝三色图像的精准对位必须精准到小于一个像素，为了进一步加强对位的精准程度，除了使用光学的方法对位之外，在本发明的另外一种可能实现方式中，还可以进一步包括一个电子校准装置，通过电子校准装置对每一帧的红绿蓝图像做特定的预处理，使得最终红绿蓝图像完美重合在一起，形成彩色图像。
本申请可以实现像素尺寸为4到6微米的超高分辨率微型显示器，这种更高的分辨率不仅会产生更清晰的图像，而且会产生更小的面板，从而有更紧凑的光机。所有这些属性对于投影和近眼显示AR/VR应用至关重要。由于所有电极和电路都可以用传统的半导体工艺制造，因此显示系统的分辨率仅受Micro LED基板的边缘效应和光学显示系统设计的限制。
本申请提出的技术方案是基于光波导和自发光显示芯片的彩色显示技术，克服了在自发光显示芯片上分别形成红绿蓝子像素的困难，可以实现高分辨率，超小型的显示装置，既可以用在近眼显示，包括AR眼镜，VR眼镜方面，又可以用在汽车抬头显示方面，也可以用在微型投影机领域。
附图说明
于下面参照附图更详尽地说明本发明的实施例。其示出：
图1示出了一种基于光波导和一个或多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图。
图2示出了一种基于光波导和多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图。
图3示出了另外一种基于光波导和多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图。
图4示出了一种基于光波导和三个自发光显示芯片的光学显示系统示意图。
图5示出了另外一种基于光波导和一个或多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于自发光显示芯片和光波导的光学显示系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
自发光显示芯片消除了单个颜色像素(大小在微米范围内)的分割和“拾取和放置”过程，不使用彩色子像素，而使用彩色子区域(子面板)，其中彩色子区域大小在毫米范围内，不同颜色的区域很容易转移到一个共同的驱动背板上。此外，对于一个的彩色子面板，可以直接通过半导体工艺图案化电极来形成像素结构，而不需要对像素进行晶片分割，因此，彩色芯片的分辨率大大提高，可达2微米或更小。
在本申请的一些实施例中，自发光显示芯片可以是任何自发光显示技术，包括但并不限于Micro LED，Micro OLED，也可以是业内人士知道的其它自发光技术，在此不做限定。
实施例1
具体地，本发明的图1示出了一种基于光波导和一个或多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图，该光学显示系统包括：
1)一个或多个自发光显示芯片10。自发光显示芯片可以是Micro LED显示芯片或者Micro OLED显示芯片。与传统Micro LED显示芯片中的红绿蓝子像素不同，本发明采用的显示芯片，红绿蓝的像素分别被聚集在一起，三个或者多个红绿蓝区域101、102、103，其中每一个区域包括了多个像素。这一芯片可以是在一个驱动背板的多个红绿蓝区域，也可以是三个分开的驱动背板控制的三个发光芯片。这些发光芯片被安装在一个足够近的同一个平面上或多个平面上。
2)一个或多个光学显示系统11，把红绿蓝三个区域的光成像。
3)一个衍射光学耦入装置12，把红绿蓝的光耦入到一个光波导中。
4)一个光波导13。
5)一个衍射光学耦出装置14，把经过光波导传播一定距离的光束耦出光波导，打入到观察者的瞳孔中。
由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，在耦入和/或耦出的衍射光学元件中，其光栅周期被设计为对红绿蓝的光线(131、132、133)衍射角度不同，经过光波导传播一定距离并耦出后，不同位置的红绿蓝的光线最终合成一幅全彩色图像15。
实施例2
具体地，本发明的图2示出了一种基于光波导和多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图，具体包括：1)多个自发光显示芯片20。三个红绿蓝自发光显示芯片分别为201，202，203。2)一个或多个光学显示系统21，把红绿蓝三个区域的光成像。3)一个棱镜耦入装置22，耦入装置包括着一个棱镜，该棱镜至少被设置了红绿蓝三个反射面，这些反射面可以用二向色镜实现，每个反射面针对不同颜色的光进行反射，第1个二向色镜221只反射红色的光，第2个二向色镜222只反射绿色的光，第3个二向色镜223反射蓝色。这些二向色镜被控制在不同的角度，使得反射的红绿蓝的光线25重合在一起。此外，如图2中的本实施例中仅展示了红绿蓝三个二向色镜231、232、233的一种可能的排列方式，该顺序可以根据实际使用情况调整，在此不做限定。4)一个光波导23。5)一个衍射光学耦出装置24，把经过光波导传播一定距离的光束耦出光波导，打入到观察者的瞳孔中。
由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，二向色镜对红绿蓝的光线(231、232、233)的反射角度不同，把不同位置的红绿蓝的光线合成一幅全彩色图像25。
实施例3
具体地，本发明的图3示出了另外一种基于光波导和多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图，包括1)多个自发光显示芯片30。三个红绿蓝自发光显示芯片分别为301、302、303，2)一个或多个光学显示系统31，把红绿蓝三个区域的光成像。3)三个耦入装置331，332，333，把来自301、302、303的红绿蓝光线分别导入4)三个光波导321、322、323中。5)三个衍射光学耦出装置351、352、353，打入到观察者的瞳孔中。由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，耦入装置和耦出装置对红绿蓝的光线(341、342、343)的反射角度不同，把不同位置的红绿蓝的光线合成成一幅全彩色图像37。
实施例4
具体地，本发明的图4示出了一种基于光波导和三个自发光显示芯片的光学显示系统示意图，包括1)三个自发光显示芯片401、402、403，分别对应红绿蓝三色光。2)一个合光棱镜41把红绿蓝的光线重合到要求的程度。3)一个或多个光学显示系统42，把红绿蓝三个区域的光成像。3)一个耦入装置233，把来自401、402、＝403的红绿蓝光线分别导入4)光波导43中。5)一个衍射光学耦出装置44，把光线耦出光波导，打入到观察者的瞳孔中。红绿蓝三色的芯片的出射光经过合光棱镜41后，并没有被完全重合在一起，有一定的分离，分离的程度和光波导对红绿蓝三色的色散相互补偿，可以在一个单层光波导同一衍射元件实现无色散的彩色显示。由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，耦入装置和耦出装置对红绿蓝的光线(434、435、436)的反射角度不同，把不同位置的红绿蓝的光线合成成一幅全彩色图像45。
实施例5
具体地，本发明的图5示出了另外一种基于光波导和一个或多个自发光显示芯片的光学显示系统示意图，包括1)一个或多个自发光显示芯片50。其中红绿蓝的像素分别被聚集在一起，三个红绿蓝区域501、502、503。2)三个光学显示系统511、512、513，把红绿蓝三个区域的光分别成像。此外，红绿蓝区域也可以包括多个，对应被光学显示系统成像，在此不做限定。3)一个衍射光学耦入装置52，把红绿蓝的光耦入到一个光波导中。4)一个光波导53。5)一个衍射光学耦出装置54，把经过光波导传播一定距离的光束耦出光波导，打入到观察者的瞳孔中。由于红绿蓝不同颜色的光的图像分布在不同的位置上，在耦入和/或耦出的衍射光学元件中，其光栅周期被设计为对红绿蓝的光线(531、532、533)衍射角度不同，把不同位置的红绿蓝的光线合成一幅全彩色图像55。
通过以上实施方式，基于光波导和自发光显示芯片的彩色显示技术，克服了在自发光显示芯片上分别形成红绿蓝子像素的困难，可以实现高分辨率，超小型的显示装置，既可以用在近眼显示，包括AR眼镜，VR眼镜方面，又可以用在汽车抬头显示方面，也可以用在微型投影机领域。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。这些由上述各个实施例的特征相互组合，重新生成的实施例也包含在本发明的保护范围内，并不超出本发明的范畴。
Claims (12)
1.一种光学显示系统，其特征在于，所述光学显示系统包括：
1)一个或多个自发光显示芯片，所述显示芯片中红绿蓝的像素分别被聚集在一起，形成三个或者多个红绿蓝区域；
2)一个或多个光学成像系统，用于实现红绿蓝三个区域的光成像；
3)一个或多个耦入装置，把红绿蓝的光耦入到一个或多个光波导中；
4)一个或者几个光波导镜片；
5)一个或多个耦出装置，把经过所述光波导传播一定距离的光束耦出光波导，打入到观察者的瞳孔中；所述耦入和/或所述耦出中进一步包括：一个或多个合光器件，所述合光器件用于将不同位置的红绿蓝的光线合成一幅全彩色图像。
2.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述自发光显示芯片为MicroLED和Micro OLED之一。
3.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在同一个显示芯片上。
4.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在不同显示芯片，所述不同显示芯片并列排列，足够接近形成一个平面。
5.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，进一步包含一个合光棱镜，所述自发光显示芯片中红绿蓝显示区域在不同显示芯片，所述不同显示芯片分三面排列在一个合光棱镜上。
6.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述耦入装置为一个或多个衍射光学元件，所述衍射光学原件的周期按照设计要求实现对红绿蓝偏转不同的角度，使得光线耦出时成为一个全彩色图像。
7.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述耦入装置进一步包括多个二向色镜，所述二向色镜分别对红绿蓝的光偏转不同的角度使得光线在耦出时成为一个全彩色的图像。
8.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述耦出装置为一个或多个衍射光学元件，所述衍射光学元件的周期按照设计要求对红绿蓝偏转不同的角度，使得光线耦出时成为一个全彩色图像。
9.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述耦出装置为衍射光波导或阵列光波导。
10.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于，所述光波导为一层光波导。
11.根据权利要求1所述的光学显示系统，其特征在于所述光波导为相互平行设置并叠加在一起的多个所述光波导。
12.根据权利要求1-11任一所述的光学显示系统，其特征在于，一个或多个所述光学显示系统还包括：
一个光学图像处理装置，所述装置对红绿蓝的光图像做预处理，使得红绿蓝图像最终重合在一起。
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2022
- 2022-01-28 CN CN202210108635.8A patent/CN114442325B/zh active Active
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