CN114979606A - 基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统 - Google Patents

基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统，所述微投影系统包括：微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元；所述微显示芯片的显示画面经过镜头组件进行放大后，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后被投射出去；所述像素复制单元用于对由于所述微显示芯片的物理像素分辨率决定显示画面进行像素增强，使微投影系统投射出的投影画面分辨率高于所述显示画面；所述像素增强是指控制所述像素复制单元的平面透镜沿着一定偏转顺序进行循环振动，使所述微显示芯片的每一个物理像素被复制成多个投影像素。

Description

基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统
技术领域
本发明涉及投影显示技术领域，尤其涉及一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统。
背景技术
基于Micro-LED或Micro-OLED的微显示技术是指以自发光的微米量级的LED或OLED为发光像素单元，将其组装到驱动面板上形成高密度LED阵列的显示技术。由于微显示芯片尺寸小、集成度高和自发光等特点，在显示的亮度、分辨率、对比度、能耗、使用寿命、响应速度和热稳定性等方面具有更大的优势。基于上述优势，基于微显示芯片的显示装置可以制造成微型且可便携的产品，这使得基于微显示芯片的显示装置可以应用于AV或VR显示装置中。
现有技术中的主流投影技术路线主要包括：DLP技术、三片或单片式的LCD技术以及LCOS技术。而在上述投影技术中为了达到显示画面的亮度需求通常需要设置尺寸较大的光源系统，以保障在远距离投影时画面显示亮度。这就导致基于上述技术路线的投影系统是无法应用于微型且可便携设备的。
目前的Micro-LED或Micro-OLED大尺寸显示面板的制造工艺中通常使用巨量转移技术将几百万个像素级的LED晶粒正确有效的由承载基板转移到驱动电路基板上。所需要转移的LED晶粒的数量越多，微显示芯片的制造成本就越高，且以几何倍数增加。
而针对Micro-LED或Micro-OLED的微显示芯片目前一般采用Wafer To Wafer 键合技术或Chip To Chip键合技术的制造工艺。微显示芯片尺寸一般在0.3英寸至1.0英寸之间。在如此小尺寸的芯片上制备高分辨率的像素是十分困难的，同样面积的芯片上制备的LED像元的数量越多会导致侧壁效应越明显，从而严重影响显示效果。目前现有技术中可以实现在0.6英寸芯片上实现1280×1024分辨率。但是根据人眼对显示画面的识别特点，只有当显示画面达到4K分辨率以上时，才能够达到人眼的分辨极限。而4K分辨率以下的图像依然会让人眼察觉到“颗粒感”。
有上述可知，在使用微显示芯片的投影系统中如何实现高分辨率图像显示是现有技术中需要解决的技术问题。
发明内容
本发明所要实现的技术目的在于提供一种微投影系统，其能够解决由于目前微显示芯片分辨率不高，无法实现高分辨率画面透镜的缺陷。
基于上述技术目的，本发明提供一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统，所述微投影系统包括：微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元；
所述微显示芯片的显示画面经过镜头组件进行放大后，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后被投射出去；所述像素复制单元用于对由于所述微显示芯片的物理像素分辨率决定的显示画面进行像素增强，使微投影系统投射出的投影画面分辨率高于所述显示画面；
所述像素复制单元包括第一框架、第二框架、平面透镜、永磁体及电磁体；在所述平面透镜固定在第一框架中并在电磁体的驱动下在不同方向上按预定偏转角度θ发生偏转；
所述像素增强是指控制所述像素复制单元的平面透镜沿着一定偏转顺序进行循环振动，使所述微显示芯片的每一个物理像素被复制成多个投影像素；
且，当微显示芯片的物理像素的尺寸为D、平面透镜的折射率为n、平面透镜的厚度为d以及平面透镜的预定偏转角度为θ时，满足：
Figure 203116DEST_PATH_IMAGE001
。
在一个实施例中，所述永磁体的数量为四个，且分为两组，其被设置在所述第一框架的上下左右四条边上，每组的两个永磁体对称设置。
在一个实施例中，所述电磁体具有第一臂和第二臂，其中第一臂与永磁体相对设置，第二臂上缠绕有线圈；当第二臂上的线圈通电时，在第一臂上即可产生磁性并吸引或排斥第一框架上的永磁体，从而造成第一框架带动平面透镜3形成角度偏转。
在一个实施例中，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步。
在一个实施例中，所述永磁体可采用钕铁硼材料、铝镍钴材料、铁铬钴材料或铁氧体材料。
本发明的另一个方面在于，还提供一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统，所述微投影系统包括：微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元；
所述微显示芯片的显示画面经过镜头组件进行放大后，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后被投射出去；所述像素复制单元用于对由于所述微显示芯片的物理像素分辨率决定的显示画面进行像素增强，使微投影系统投射出的投影画面分辨率高于所述显示画面；
所述像素复制单元包括第一框架、第二框架、平面透镜及压电振动晶片；所述平面透镜固定在第一框架中并在压电振动晶片的驱动下在不同方向上按预定偏转角度θ发生偏转；
所述像素增强是指控制所述像素复制单元的平面透镜沿着一定偏转顺序进行循环振动，使所述微显示芯片的每一个物理像素被复制成多个投影像素；
且，当微显示芯片的物理像素的尺寸为D、平面透镜的折射率为n、平面透镜的厚度为d以及平面透镜的预定偏转角度为θ时，满足：
Figure 868584DEST_PATH_IMAGE002
。
在一个实施例中，所述压电振动晶片的数量为两个，其被设置在所述第一框架与所述所述第二框架之间，且沿第一框架的对角线方向设置。
在一个实施例中，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步。
在一个实施例中，通过调节压电振动晶片的驱动电压来调节平面透镜的偏转角度。
本发明的另一个方面在于提供一种智能眼镜，所述智能眼镜中使用了本发明的微投影系统。
与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：
本发明中通过对低分辨率的微显示芯片所成显示画面进行像素增强，提高了其画面显示分辨率，从而降低了由低分辨率画面所造成的的“颗粒感”。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的第一实施例的微投影系统结构示意图；
图2是本发明的第一实施例的微投影系统中像素复制单元结构示意图；
图3是本发明的第一实施例的微投影系统中像素复制单元结构示意图；
图4是本发明的第一实施例的微投影系统中平面透镜折射示意图；
图5是本发明的第一实施例的微投影系统中平面透镜偏转次序示意图；
图6是本发明的第二实施例的微投影系统中像素复制单元结构示意图；
图7是本发明的第二实施例的微投影系统中像素复制单元结构示意图；
图8是本发明的第二实施例的微投影系统中平面透镜偏转次序示意图；
图9是应用本发明微投影系统的智能眼镜的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
实施例1
如图1所示的基于微显示芯片的微投影系统结构示意图，所述微投影系统包括微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元。其中，所述微显示芯片所显示的画面经过镜头组件进行放大，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后将画面投射出去；所述像素复制单元用于对所述微显示芯片的物理像素分辨率进行增强使显示画面的分辨率高于所述微显示芯片的物理像素分辨率；
本实施例中，所述微显示芯片为自发光显示芯片，具体的所述微显示芯片为Micro-LED微显示芯片，其芯片物理尺寸为0.6英寸，物理像素分辨率为1280×1024，该微显示芯片的每个物理像素的尺寸D小于10μm。该微显示芯片可以是单色Micro-LED（蓝光、红光或绿光），也可以是RGB的Micro-LED。
本实施例中，所述镜头组件包括多个凸透镜、凹透镜即反射棱镜，从而实现对所述微显示芯片的显示画面进行放大。所述镜头组件为短焦距光学组件，从而实现微投影系统的投影比小于1。
图2-3所示为本实施例中的像素复制单元的结构示意图，所述像素复制单元包括第一框架1、第二框架2、平面透镜3、永磁体4及电磁体5。所述平面透镜3固定在第一框架1中，所述永磁体4的数量为四个，且分为两组，其被设置在所述第一框架1的上下左右四条边上，每组的两个永磁体4对称设置。例如，第一组永磁体4分别设置在第一框架1的上下两条边上，且相对于第一框架1的横轴对称设置。第二组永磁体4分别设置在第一框架1的左右两条边上，且相对于第一框架1的纵轴对称设置。所述第二框架2设置在第一框架1的后方，且第一框架1与第二框架2之间通过可形变支撑件6连接。在所述第二框架2上与第一框架1中的永磁体4相对的位置上设置有电磁体5。所述电磁体5具有第一臂和第二臂，其中第一臂与永磁体4相对设置，而第二臂上缠绕有线圈。当第二臂上的线圈通电时，在第一臂上即可产生磁性从而实现吸引或排斥第一框架1上的永磁体4，从而造成第一框架1带动平面透镜3形成角度偏转。
本实施例中，所述平面透镜3选用折射率为1.3~1.6的复合树脂镜片，其双面均为平面，如图4所示，当光线垂直入射到平面透镜3时光线不发生偏移，而沿原入射方向射出，当平面透镜3反生角度偏转时，依据光线的折射定律，出射光线方向与入射光线方向发生偏移。如图4所示，偏移量Δx与平面透镜3的折射率n、及平面透镜3的厚度d以及平面透镜3的偏转角度θ满足如下关系：
Figure 357334DEST_PATH_IMAGE003
。
根据上述公式可知，当平面透镜3以偏转角度θ进行俯仰偏转时，所述微显示芯片的显示画面的每一个物理像素均会在垂直方向上被偏移Δx距离投影在投影幕上，而当平面透镜3以偏转角度θ进行左右偏转时，所述微显示芯片的显示画面的每一个物理像素均会在水平方向上被偏移Δx距离投影在投影幕上。
本实施例中，所述像素增强是指通过依次顺序控制像素复制单元的平面透镜3沿着一定偏转顺序进行循环振动时，依据人眼视觉暂留的特点，微显示芯片的一个物理像素将会被复制成多个投影像素呈现在投影幕上。如图5所示，本实施例中的偏转顺序可以控制为：第一偏转动作为控制平面透镜3从无偏转状态到俯视偏转角度θ；第二偏转动作为控制平面透镜3在前一状态下继续右向偏转角度θ；第三偏转动作为控制平面透镜3在前一状态下仰视偏转角度θ；第四偏转动作为控制平面透镜3在前一帧状态下左向偏转角度θ。从而使得平面透镜3回到最初的无偏转状态。需要说明的是，上述第一至第四偏转动作均是在微显示芯片的物理像素的一帧显示时间内完成的。例如当微显示芯片以60Hz刷新率进行画面显示时，则微显示芯片的物理像素所生成的每一帧的画面暂留时间为1/60秒，则所述像素复制单元的平面透镜3的第一至第四偏转状态画面的每一偏转状态画面的暂留时间为四分之一个1/60秒，即所述像素复制单元的平面透镜3的振动频率需要达到四倍的60Hz，即达到240Hz。
本实施例中，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步，即针对微显示芯片的每一帧画面，所述像素复制单元均从无偏转状态起振并经过第一至第四偏转状态后再次回到无偏转状态以结束该帧画面显示。
本实施例中，当所述微显示芯片的物理像素分辨率为1280×1024时，经过上述像素复制单元的作用，可以生成投影画面像素为5120×4096分辨率的画面。从而有效的消除画面的“颗粒感”。需要说明的是，有平面透镜3偏移量Δx是需要进行限制的，为了防止偏移量Δx过大导致复制像素之间过于分裂导致画质出现撕裂，或者偏移量Δx过小导致，复制像素之间没有形成有效分离而无法实现投影像素增强。本实施例中将偏移量Δx设定为：D/2≤Δx≤D，即偏移量Δx设定为大于等于微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D的二分之一，且小于微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D。则根据前述偏移量Δx表述公式，则进一步有：
Figure 806596DEST_PATH_IMAGE004
。
根据上述数学式，当选用的平面透镜3的折射率为1.5，且其厚度为1mm，且微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D为10μm时。得到平面透镜3的振动角度范围是：0.73°≤θ≤1.34°
根据上述平面透镜3的振动角度，当所述像素复制单元的永磁体4表面剩磁为1.5T时，所述电磁体5所产生的安培力应达到0.053N。再根据电磁体所缠绕线圈的参数即可获得控制电磁体的电流大小。
本实施例中，所述永磁体4可采用钕铁硼材料、铝镍钴材料、铁铬钴材料或铁氧体材料。
实施例2
本实施例中，所述微投影系统的系统结构与前述实施例1中相同，其区别在于所述像素复制单元的具体结构。
如图6-7所示的像素复制单元的结构示意图，所述像素复制单元包括第一框架10、第二框架20、平面透镜30及压电振动晶片40。所述平面透镜30固定在第一框架10中，所述第二框架20设置在第一框架10的后方，且第一框架10与第二框架20之间通过可形变支撑件60连接。所述压电振动晶片40的数量为两个，其被设置在所述第一框架10与所述所述第二框架20之间，且沿第一框架10的对角线方向设置。当所述压电振动晶片40通电时，所述压电振动晶片40沿着第一框架10的厚度方向上发生形变，从而导致第一框架10带动平面透镜3在第一框架10的对角线方向上以一定偏转角度倾斜振动。本实施例中所使用的平面透镜30与实施例1中的所使用的平面透镜一致，因此同样满足于：偏移量Δx与平面透镜30的折射率n、及平面透镜30的厚度d以及平面透镜30的偏转角度θ满足如下关系：
Figure 2085DEST_PATH_IMAGE003
。
本实施例中，所述像素增强是指通过依次顺序控制像素复制单元的平面透镜3沿着一定偏转顺序进行循环振动时，依据人眼视觉暂留的特点，微显示芯片的一个物理像素将会被复制成多个投影像素呈现在投影幕上。如图8所示，本实施例中的偏转顺序可以控制为：
第一偏转动作为控制平面透镜3从无偏转状态沿对角线向斜下方偏转角度θ；第二偏转动作为控制平面透镜3回到无偏转状态；第三偏转动作为控制平面透镜3从无偏转状态沿对角线向斜上方偏转角度θ；第四偏转动作为控制平面透镜3回到无偏转状态。需要说明的是，上述第一至第四偏转动作的投影画面均是在微显示芯片的物理像素的一帧显示时间内完成的。例如当微显示芯片以60Hz刷新率进行画面显示时，则微显示芯片的物理像素所生成的每一帧的画面暂留时间为1/60秒，则所述像素复制单元的平面透镜3的第一至第四偏转动作画面的每一偏转状态画面的暂留时间为四分之一个1/60秒，由于本实施例中的压电振动晶片在向斜下方或斜上方偏转时仅需要驱动对角线上的一个压电晶片4即可实现偏转，且上述四个偏转动作中的两个为无偏转状态。通过交替即所述像素复制单元的平面透镜3的振动频率需要达到二倍的60Hz，即达到120Hz。
本实施例中，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步，即针对微显示芯片的每一帧画面，所述像素复制单元均从无偏转状态起振并经过第一至第四偏转状态后再次回到无偏转状态以结束该帧画面显示。
本实施例中，当所述微显示芯片的物理像素分辨率为1280×1024时，经过上述像素复制单元的作用，可以生成投影画面像素为3840×3072分辨率的画面。从而有效的消除画面的“颗粒感”。需要说明的是，有平面透镜3偏移量Δx是需要进行限制的，为了防止偏移量Δx过大导致复制像素之间过于分裂导致画质出现撕裂，或者偏移量Δx过小导致，复制像素之间没有形成有效分离而无法实现投影像素增强。本实施例中将偏移量Δx设定为：
Figure 900771DEST_PATH_IMAGE005
。
即，偏移量Δx设定为大于等于微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D的二分之根号二，且小于根号二倍的微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D。则根据前述偏移量Δx表述公式，则进一步有：
Figure 860505DEST_PATH_IMAGE002
。
根据上述数学式，当选用的平面透镜3的折射率为1.5，且其厚度为1mm，且微显示芯片的物理像素单元的物理尺寸D为10μm时。得到平面透镜3的振动角度范围是：0.85°≤θ≤1.62°。根据压电振动晶片4的压电应变常数可以确定驱动压电振动晶片4的电压值大小。
实施例3
图9所示为本发明的微投影系统的一个实际应用实例。本实施中，本发明的微投影系统被应用于智能眼镜中，所述智能眼镜包括镜框100、镜腿101、晶片102和微投影系统103。所述微投影系统103被安装在所述镜腿101的外侧，所述镜腿101上设置有投影开口104，所述微投影系统103通过投影开口104将投影画面投射到晶片102上。
以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统，其特征在于，所述微投影系统包括：微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元；
所述微显示芯片的显示画面经过镜头组件进行放大后，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后被投射出去；所述像素复制单元用于对由于所述微显示芯片的物理像素分辨率决定的显示画面进行像素增强，使微投影系统投射出的投影画面分辨率高于所述显示画面；
所述像素复制单元包括第一框架、第二框架、平面透镜、永磁体及电磁体；在所述平面透镜固定在第一框架中并在电磁体的驱动下在不同方向上按预定偏转角度θ发生偏转；
所述像素增强是指控制所述像素复制单元的平面透镜沿着一定偏转顺序进行循环振动，使所述微显示芯片的每一个物理像素被复制成多个投影像素；
且，当微显示芯片的物理像素的尺寸为D、平面透镜的折射率为n、平面透镜的厚度为d以及平面透镜的预定偏转角度为θ时，满足：
Figure 775570DEST_PATH_IMAGE001
。
2.根据权利要求1所述的微投影系统，其特征在于，所述永磁体的数量为四个，且分为两组，其被设置在所述第一框架的上下左右四条边上，每组的两个永磁体对称设置。
3.根据权利要求1所述的微投影系统，其特征在于，所述电磁体具有第一臂和第二臂，其中第一臂与永磁体相对设置，第二臂上缠绕有线圈；当第二臂上的线圈通电时，在第一臂上即可产生磁性并吸引或排斥第一框架上的永磁体，从而造成第一框架带动平面透镜形成角度偏转。
4.根据权利要求1所述的微投影系统，其特征在于，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步。
5.根据权利要求1所述的微投影系统，其特征在于，所述永磁体可采用钕铁硼材料、铝镍钴材料、铁铬钴材料或铁氧体材料。
6.一种基于微显示芯片的带有像素增强功能的微投影系统，所述微投影系统包括：微显示芯片、镜头组件、像素复制单元及图像数据处理单元；
所述微显示芯片的显示画面经过镜头组件进行放大后，再经过像素复制单元对显示画面进行像素增强后被投射出去；所述像素复制单元用于对由于所述微显示芯片的物理像素分辨率决定的显示画面进行像素增强，使微投影系统投射出的投影画面分辨率高于所述显示画面；
所述像素复制单元包括第一框架、第二框架、平面透镜及压电振动晶片；所述平面透镜固定在第一框架中并在压电振动晶片的驱动下在不同方向上按预定偏转角度θ发生偏转；
所述像素增强是指控制所述像素复制单元的平面透镜沿着一定偏转顺序进行循环振动，使所述微显示芯片的每一个物理像素被复制成多个投影像素；
且，当微显示芯片的物理像素的尺寸为D、平面透镜的折射率为n、平面透镜的厚度为d以及平面透镜的预定偏转角度为θ时，满足：
Figure 223869DEST_PATH_IMAGE002
。
7.根据权利要求6所述的微投影系统，其特征在于，所述压电振动晶片的数量为两个，其被设置在所述第一框架与所述第二框架之间，且沿第一框架的对角线方向设置。
8.根据权利要求6所述的微投影系统，其特征在于，所述图像数据处理单元将控制微显示芯片进行画面显示的帧同步信号输出至像素复制单元，从而保证微显示芯片的帧切换与像素复制单元的振动状态同步。
9.根据权利要求6所述的微投影系统，其特征在于，通过调节压电振动晶片的驱动电压来调节平面透镜的偏转角度。
10.一种智能眼镜，所述智能眼镜中包含了如前述权利要求1-9之一所述的微投影系统。
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