CN211956097U - 基于MicroLED的显像设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于MicroLED的显像设备，其包括一发光元件和一投影镜头，其中所述发光元件包括至少一MicroLED，并且被控而发出图像光线，其中所述投影镜头用于准直所述发光元件发出的光线；以及一传输元件，所述传输元件包括一耦入部件、一传导层以及一耦出部件，其中所述耦入部件具有反射面，所述耦入部件用于接收并耦合被所述投影镜头准直后的平行光束，所述传导层将耦入的光不断全反射至所述耦出部件。

Description

基于MicroLED的显像设备

技术领域

本实用新型涉及光学显像领域，尤其涉及一种投影装置与显像设备，以及一种显像方法。

背景技术

光学显像装置是现代生活中不可或缺的娱乐设施。从经典的电视、电脑、移动平板，到智能手机、智能手表，以及增强现实(Augmented Reality,AR)和虚拟现实(VirtualReality,VR)都是具体的光学显像应用设备。现有的一些显像装置采用光学透射式或者视频透射式而实施。更具体地，对于增强现实技术而言，光学透射式因其分辨率高、无视觉偏差、无时延以及更符合社交习惯等方便之处已经成为主流的实施方式。

对于显像装置而言，光源和光线传输路径是同样重要的。发光元件的图像信息清晰有效的情况下，光线被可靠地传输而无损耗或无干扰，最终的图像才能有最佳的效果。目前很多增强现实显示装置(AR)或抬头显示(Head-up)装置都采用直接显示图像的方式，用户能从光源接收多少信息还要取决于观察位置。特别是，在类似于增强现实显示(AR)或抬头显示(Head-up)的光学使用场合中，外界的环境光干扰很多，光学设计就尤为重要。

现有的采用光学透射式的光学显像装置大多基于鸟浴(Bird Bath)或者自由曲面元件而设计。但是，现有的采用光学透射式的光学显像装置具有以下缺陷。

由现有的光学元件组成的显像装置受制于光学总距离，例如镜片与镜片之间的距离被设定，无法做到足够轻薄，整体设备不能实现纸片化、表盘化、眼镜化。另外，受拉格朗日不变量的牵制，现有光学显像装置的出瞳半径有限，通常无法适配瞳距较大的用户人群。图像的生成上，现有的图像源大多为透射式液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)、数字光处理器(Digital Light Processing,DLP)、数字微镜器件(Digital Micro mirrorDevice，DMD)、硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)、有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode,OLED)和微机电扫描振镜(MEMS Scanning Mirror)和等等。这类的图像源均有一些缺陷，而图像源的缺陷对于整体显像效果而言是致命的。图像传输上，光学图像在生成后的传输过程中会有损失，成像效果渐渐打折，例如亮度降低、图像变形等等。因此，从图像生成的角度和从图像传输的角度必须充分地考虑，使得整体上满足显像的需求。

具体地，在图像源方面，LCoS、DLP、MEMS Scanning Mirrror等被动式的投影，需要使用外加光源，那么多出的器件需要占据更多的空间，使得整体的体积不易进一步缩小，组装成本也较高。LCD、OLED存在效率和亮度较低、功耗较大的问题，OLED烧屏现在依然还是个很大的问题，因为有机材料的使用寿命有限，稳定性十分堪忧。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像生成和图像传输上均衡设置，提高最终显示质量。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，适用于增强现实显示(AR)或抬头显示(Head-up)的应用情景，有效地提供光学显示信息。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，藉由有效的光学设计，降低整体的体积占用，适于轻便化地使用。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中稳定地提供光学显示，满足亮度、清晰度、低能耗的需求。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像生成后被有效地传输而呈现，不会受到外界干扰。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中光线传输可采用对可见光透过率较高的材料，适于增强现实显示(AR)或抬头显示(Head-up)的应用情景。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中利用有效的图像传输方式，减少损耗的同时降低设备体积。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像传输方式提供多种输出方式，满足不同出瞳(出瞳半径或出瞳距离)的需要。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中从整体上设置图像生成与传输环节，相互之间衔接连贯，达到超出一般结合的显像效果。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像传输无需额外能源，整体耗能较低。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像生成不须使用外加光源，光学系统较简单。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像生成具有高亮度、低功耗、超高解析度与色彩饱和度的性能。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像生成采用MircoLED技术。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中MicroLED最大的优势来自于它最大的特点，微米等级的间距，每一点画素(pixel) 都能定址控制及单点驱动发光。比起其他显示光源，发光效率上，目前MicroLED 最高，且还存在大幅提升空间；发光能量密度上，MicroLED最高，且也还有提升空间。前者，有利于显示设备的节能，其功率消耗量约为LCD的10％、OLED 的50％；后者则可以节约显示设备有限的表面积，并部署更多的传感器，目前的理论结果是，MicroLED和OLED比较，达到同等显示器亮度，只需要后者10％左右的涂覆面积。与同样是自发光显示的OLED相较之下，亮度比其高30倍，且分辨率可达1500PPI(像素密度)。MicroLED的上述优势有助于解决在基于出瞳扩展的显像设备中，由于光在耦合进出波导以及传输的过程中都会有损失，光学效率较低，并且大的出瞳使得单点输出亮度降低的难题。除此之外，由于 Micro-LED使用无机材料，且结构简易，几乎无光耗，它的使用寿命非常长，成本降低空间大。近年来，由于科技的进步和工艺的发展，MicroLED的制造难度和成本都已大幅下降。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中图像传输采用波导技术。

本实用新型的另一个目的在于提供一种基于MicroLED的显像设备，其中基于波导的显示方案中，一个单色或者RGB图像被注入波导后，利用光线在平面波导元件内的全反射传输，有效降低了光学元件的厚度，并使用波导上一个或多个光学元件控制图像分步输出，实现出瞳扩展。

本实用新型的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。

依本实用新型的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势的本实用新型的一投影装置，包括：

一发光元件和一投影镜头，其中所述发光元件包括至少一MicroLED，并且被控而发出图像光线，其中所述投影镜头用于准直所述发光元件发出的光线。

根据本实用新型的一个实施例，所述发光元件为MicroLED。

依本实用新型的另一个方面，本实用新型进一步提供一显像设备，以供向一投影区发送图像，包括：

上述的投影装置和一传输元件，其中所述传输元件包括一耦入部件、一传导层以及一耦出部件，其中所述投影装置被控而发出图像光线，所述耦入部件接收并引导图像光线传输，其中所述耦出部件扩展地向外输出图像光线，其中自所述耦入部件进入所述传导层的图像被全反射地输出于所述耦出部件。

根据本实用新型的一个实施例，其中所述传输元件为波导器件。

依本实用新型的另一个方面，本实用新型进一步提供一显像方法，包括以下步骤：

藉由至少一MicroLED，投射图像光线；

准直所述图像光线；以及

输送所述图像光线，以供在一定距离外投影出图像。

通过对随后的描述和附图的理解，本实用新型进一步的目的和优势将得以充分体现。

本实用新型的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1是根据本实用新型的一个优选实施例的投影装置和显像设备的框图示意图。

图2是根据本实用新型的上述优选实施例的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图3是根据本实用新型的上述优选实施例的另一种可行方式的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图4是根据本实用新型的上述优选实施例的另一种可行方式的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图5是根据本实用新型的上述优选实施例的另一种可行方式的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图6A是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的一种合光器的平面光学示意图。

图6B是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的一种合光器的立体光学示意图。

图6C是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的发光元件的光谱分布图。

图6D是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的合光器的表面膜层针对不同波长的反射率曲线，阐释着图6A和6B中的A表面的曲线。

图6E是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的合光器的表面膜层针对不同波长的反射率曲线，阐释着图6A和6B中的B表面的曲线。

图7是根据本实用新型的上述优选实施例的上述可行方式的投影装置的另一种合光器平面光学示意图。

图8是根据本实用新型的上述优选实施例的另一种可行方式的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图9是根据本实用新型的上述优选实施例的另一种可行方式的投影装置、显像设备及其显像方法的光学示意图。

图10是根据本实用新型的上述优选实施例的投影装置和显像设备的应用示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

本实用新型提供一种显像设备，以供被控制而向一投影区显示图像。所述显像设备被接入一图像信息后，发出图像光线，进而在所述投影区投射图像光线而显像。本领域的技术人员可以理解的是，所述投影区可以为幕布、人眼或者其他接收图像光线的载体。本实用新型在所述显像设备的应用场景不做限制。

值得一提的是，本实用新型所提供的优选实施例的不同可行方式之间，元件可以进行结构的组合与替换，以下示例仅为具体的说明。

如图1至图2所示，本实用新型的一种优选实施例的所述显像设备，包括一投影装置100和一传输元件30，其中所述传输元件30被置于所述投影装置100 的近物侧。当所述投影装置100生成图像光线后，图像光线经过所述传输元件 30的传导而在一定距离外输出，以供呈现在所述投影区。

具体地，所述投影装置100包括一发光元件10和一光学镜头。所述发光元件10能够接收图像信号而生产图像光线，也就是光电转化器件。自所述发光元件10经过所述光学镜头再由所述传输元件30投出的图像光线，可以直接在所述投影区成像。

值得一提的是，所述光学镜头在本优选实施例中被具体为投影镜头20，根据不同的设计需求，所述光学镜头20进一步地为准直镜头。

更多地，所述传输元件30包括一耦入部件31、一传导层32以及一耦出部件 33，其中所述投影装置100所发出的图像光线对着所述耦入部件31，其中自所述耦入部件31进入所述传导层32的图像被反射地输出于所述耦出部件33，进而将图像输送至所述投影区。所述传输元件30的所述耦出部件33被延伸至所述耦入部件31而在所述耦入部件31和所述耦出部件33之间形成传输图像光线的通道。也就是说，图像光线从所述耦入部件31进入所述传导层32至所述耦出部件33而输出。

在一种可行的方式中，所述发光元件10为MicroLED器件，所述传输元件 30为波导器件。所述显像设备包括所述发光元件10、所述投影镜头20、所述传导层32、所述耦入部件31和所述耦出部件33。

所述发光元件10，用于提供高亮度、高对比度的单色或者RGB图像。

所述投影镜头20，用于将所述发光元件10出射的光束准直为平行光束，与所述发光元件10共同组成所述投影装置。所述投影镜头20可以是一片或多片透镜，或者是反射光学元件和透射光学元件的组合等。例如，六片以上的准直透镜组合。

所述耦入部件31，用于将所述投影装置的输出光耦合输入至所述传导层32 中。

所述传导层32，用于将从所述耦入部件31耦合输入的光进行全反射向所述耦出部件33传播。

所述耦出部件33，用于将所述传导层32中全反射的光在每次接触所述耦出部件33时部分出射和部分透射，出射光耦合出波导至所述投影区，直接透射部分在所述传导层32中继续全反射直至被耦合输出，完成出瞳扩展。

优选地，所述传导层32为波导基底。

优选地，所述耦入部件31为耦入光学元件。所述耦出部件33为耦出光学元件。也就是说，所述投影镜头20的输出光耦合输入至所述传输元件30的所述传导层32。

优选地，所述发光元件10为MicroLED微显示屏。

具体地，如图1是所述投影装置和所述显像设备的结构框图。由所述发光元件10和所述投影镜头20组成所述投影装置，所述投影装置的输出图像进所述耦入部件31，再被耦合输入至所述传导层32中，在所述传导层32中进行多次全反射，直至遇到所述耦出部件33被耦出，进入所述投影区，完成显示过程。

如图2所示，本优选实施例提供一显像方法，包括以下步骤：

A.藉由至少一MicroLED，投射图像光线；

B.准直图像光线；以及

C.输送图像光线，以供在一定距离外投影出图像。

具体地，所述显像设备包括所述发光元件10和所述投影镜头20组成的所述投影装置100、所述耦入部件31、所述传导层32、所述耦出部件33。所述发光元件10作为图像源用于显示单色或者RGB图像，也就是步骤A。该图像的像素发出的图像光线，经过所述投影镜头20被准直为平行光束，也就是步骤B。所述平行光束经所述耦入部件31衍射后，第一衍射级次光线满足波导的全反射条件，在所述传导层32中发生全反射，并向所述耦出部件33前进，在每一次接触所述耦出部件33时被部分透射部分衍射，衍射光耦合出所述传导层32到达所述投影区，直接透射部分在所述传导层32中继续全反射前进直至被衍射耦出，进入所述投影区，由此完成出瞳的扩展。也就是步骤C。

优选地，所述耦入部件31被实施为输入衍射光学元件。

优选地，所述耦出部件33被实施为输出衍射光学元件。

所述微显示屏可以是单色或RGB全彩所述发光元件10，分别可以实现单色显示和全彩显示。所述投影镜头20可以是一片或多片透镜，或者是反射光学元件和透射光学元件的组合等。所述耦入部件31可选自闪耀光栅、非对称表面浮雕光栅或其它具有高耦合效率的衍射结构。所述传导层32可采用对可见光透明的光学材料构成的平板结构，其上下表面平行。所述耦入部件31/所述耦出部件 33可与所述传导层32表面紧密贴合，也可嵌入所述传导层32的材料内部；所述耦出部件33采用低耦合衍射效率的周期性结构，以保证在出瞳扩展的过程中有持续的光能量输出。

本优选实施例利用MicroLED的自发光、亮度高、功耗低、解析度与色彩饱和度高、使用寿命长的优势，结合波导显示特有的全反射传输与出瞳扩展的特性， MicroLED高亮度、低功耗的优点可以有效弥补出瞳扩展的波导显示装置光学效率较低，并且大的出瞳使得单点输出亮度降低的短板，最终可以实现一种高亮度、低功耗、体积小、视窗大、稳定性好增强现实显示。

所述传输元件30具体可以采用衍射光波导或几何光波导。

所述衍射光波导的所述耦入部件31被优化设计为具有高耦合衍射效率，用来提高显示系统效率，减小功耗。所述耦入部件31可选自闪耀光栅、非对称表面浮雕光栅或其它具有高耦合效率的衍射结构。

所述衍射光波导的所述传导层32可采用对可见光透明的光学材料构成的平板结构，其上下表面平行；所述耦入部件31/所述耦出部件33可与所述传导层 32表面紧密贴合，也可嵌入所述传导层32的材料内部。

所述衍射光波导的所述耦出部件33采用低耦合衍射效率的周期性结构，以保证在出瞳扩展的过程中有持续的光能量输出。

所述几何光波导的所述耦入部件31可以为一个反射面或者一个棱镜，具有较高的耦合效率，用来提高显示系统效率，减小系统功耗。

所述几何光波导的所述耦出部件33可以为一个“光组合器”，一般可以由一个部分透射部分反射的镜面阵列构成，嵌入到所述传导层32内部并且与波导内的传输光束形成特定角度，同时每一个镜面上都镀有相应反射-透射比的光学薄膜。

为了实现全彩显示，可以使用RGB全彩所述发光元件10，将其输出的RGB 彩色图像输入到所述传输元件30，再经所述传输元件30耦合输出至所述投影区。RGB全彩MicroLED可以采用RGB三色LED法来获取，每个像素都包含三个 RGB三色LED，一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接，之后，使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制 (PWM)电流驱动，PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光；RGB全彩MicroLED还可以通过UV/蓝光LED+发光介质法来实现，其中若使用UV MicroLED,则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比；如使用蓝光MicroLED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可。发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD,Quantum Dots)。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光 LED的激发下发出特定波长的光，光色由荧光粉材料决定且简单易用，这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明，并可作为一种典型的MicroLED彩色化方法。荧光粉涂覆一般在MicroLED与驱动电路集成之后，再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。量子点的粒径一般介于1～10nm之间，可适用于更小尺寸的micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的效果，受激后可以发射荧光，发光颜色由材料和尺寸决定，因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。当量子点粒径越小，发光颜色越偏蓝色；当量子点越大，发光颜色越偏红色。量子点的化学成分多样，发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性，因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单，薄型化，可卷曲，非常适用于micro-display的应用。目前可采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术，即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点。将其涂覆在UV/蓝光LED上，使其受激发出RGB三色光，再通过色彩配比实现全彩色。

另外，本优选实施例还提出了其他更为简单、更为容易实施的方法来实现基于MicroLED的全彩显示。示例性的，可以使用一个双色所述发光元件10与一个单色所述发光元件10，将其分别输出的双色图像和单色图像进行光学合成，再输入到所述传输元件30，然后经所述传输元件30耦合输出至所述投影区；还可以使用R、G、B三个单色所述发光元件10,将其分别输出的R、G、B单色图像通过所述合光器19进行光学合成，再输入到所述传输元件30，然后经所述传输元件30耦合输出至所述投影区。所述合光器19是由带有不同镀膜的棱镜粘合制成。对不同波长的入射光呈现不同的透射或反射特性。R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合光器19，合色成为一个RGB全彩图像。

本优选实施例的有益效果是：将MicroLED与波导显示相配合，实现一加一大于二，充分利用MicroLED的自发光、亮度高、功耗低、解析度与色彩饱和度高、使用寿命长的优势，结合波导显示特有的全反射传输与出瞳扩展的特性，实现了一种高亮度、低功耗、体积小、视窗大、稳定性好的增强现实显示装置。本优选实施例还提出了基于MicroLED的若干种全彩波导显示方法，可以采用RGB 全彩所述发光元件10，或者使用一个双色所述发光元件10与一个单色所述发光元件10进行光学合色，亦或是使用R、G、B三个单色所述发光元件10进行光学合色，配合所述传输元件30，实现了一种结构简单、亮度很高、体积很小、能耗很低、像质优良的全彩增强现实显示系统。下面本优选实施例的其他可行方式被详细地阐述。

本实用新型的另一种可行方式的一显像设备被阐述，如图3，其中所述显像设备包括一发光元件10、一投影镜头20以及一传输元件30，其中所述发光元件 10的结构与图2中上述优选实施例的所述显像设备的所述发光元件10类似，本实用新型不再赘述。

本优选实施例可应用于不同架构的波导增强现实装置，如图3所示的所述显像设备。所述传输元件30包括一个具有反射面的所述耦入部件31，用来接收、耦合所述投影装置100投射的平行光束。所述传导层32，将耦入的光不断全反射至耦出结构。所述耦出部件33，一般可以由一个部分透射部分反射的镜面阵列构成，嵌入到所述传导层32内部并且与波导内的传输光束形成特定角度，同时每一个镜面上都镀有相应反射-透射比的薄膜。具体地，由单色或RGB全彩所述发光元件10发出的光束，经过所述投影镜头20被准直为平行光束，再由所述耦入部件31耦合进入波导，在所述传导层32中经历多轮全反射，直至行进到所述耦出部件33，所述耦出部件33中的每一个镜面会将部分光线反射出所述传导层32进入所述投影区，同时剩下的光线透射过去继续在所述传导层32中前进。然后这部分前进的光又遇到另一个镜面，从而重复上面的“反射-透射”过程，直到镜面阵列里的最后一个镜面将剩下的全部光反射出所述传导层32进入所述投影区。几何光波导就是以此方案实现出瞳扩展，与MicroLED相互配合，可以实现一种高亮度、低功耗、体积小、视窗大、稳定性好增强现实显示。

为了实现全彩显示，可以使用RGB全彩MicroLED微显示屏，RGB全彩 MicroLED可以采用RGB三色LED法或者UV/蓝光LED+发光介质法来获取。另外，本实用新型还提出了其他更为简单、更为容易实施的方法来实现基于 MicroLED的全彩显示。

本实用新型的另一种可行方式的一显像设备被阐述，如图4，其中所述显像设备包括一发光元件10、一投影镜头20以及一传输元件30，其中所述投影镜头 20和所述传输元件30的结构与图2中上述优选实施例的所述显像设备的所述投影镜头20以及所述传输元件30类似，本实用新型不再赘述。

如图4所示，是一种基于一个双色的第一发光元件11和一个单色的第二发光元件12的所述投影装置。所述发光元件10为两个，一个双色第一发光元件 11，可以为红绿MicroLED、红蓝MicroLED或蓝绿MicroLED。所述第二发光元件12为一个单色MicroLED，相应地可以为蓝MicroLED、绿MicroLED或红 MicroLED。所述第一发光元件11和所述第二发光元件12经一合光器19进行合光。所述合光器19可以为一个镀有特定薄膜的平面光学元件，与所述第一发光元件11和所述第二发光元件12分别成45°和-45°放置。由于镀膜的波长选择性，所述合光器19对所述第一发光元件11发出的光束进行透射，对所述第二发光元件12发出的光束进行反射。同理，根据不同的镀膜方式，所述合光器19也可以对所述第二发光元件12发出的光束进行透射，对所述第一发光元件11发出的光束进行反射。通过光学合色后的图像经所述投影镜头20准直后，输入到所述传输元件30，然后经所述传输元件30耦合输出至所述投影区，实现了全彩显示。光束在所述传输元件30中的传输过程与上述实施例相同，所述传输元件30 可以为衍射光波导或几何光波导，图4是以衍射光波导为例，示出了一种基于一个双色MicroLED和一个单色MicroLED的全彩显像设备，本实用新型包括但不限于此示例。

本实用新型的另一种可行方式的一显像设备被阐述，如图5至图7所示，其中所述显像设备包括一发光元件10、一投影镜头20以及一传输元件30，其中投影镜头20和所述传输元件30的结构与图2中上述优选实施例的所述显像设备的所述投影镜头20以及所述传输元件30类似，本实用新型不再赘述。

如图5所示，是一种基于R、G、B三个单色所述发光元件10的显像设备。所述第一发光元件11是蓝MicroLED、所述第二发光元件12是绿MicroLED、所述第三发光元件13是红MicroLED，三个单色所述发光元件10通过所述合光器19进行合光。所述合光器19是由带有不同镀膜的棱镜粘合制成。对不同波长的入射光呈现不同的透射或反射特性。R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合光器19，合色成为一个RGB全彩图像。以图5作为示例进行说明，在所述合光器19的第一表面所镀的第一薄膜，反射由所述第一发光元件11 发出的蓝色光束，第二表面所镀的第二薄膜，反射由所述第三发光元件13发出的红色光束，同时，由所述第二发光元件12发出的绿色光束透过所述合光器19。根据所述合光器19的不同放置方式，三个单色所述发光元件10也要相应放在对应的位置，保证R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合光器19。通过所述合光器19进行光学合色后的RGB图像经所述投影镜头20准直后，输入到所述传输元件30，然后经所述传输元件30耦合输出至所述投影区，实现了全彩显示。光束在所述传输元件30中的传输过程与上述实施例相同，所述传输元件30可以为衍射光波导或几何光波导，图5是以衍射光波导为例，示出了一种基于R、G、B三个单色所述发光元件10的显像设备，本实用新型包括但不限于此示例。

表1列出了本实施例中MicroLED微显示器的相关参数。表2列出了本实施例的部分系统参数。

表1

表2

图6A示出了一种所述合光器19的平面示意图。所述合光器19包括多个合光元件191，例如在这个实施例中，其包括实施为直角棱镜的四个合光元件191，即所述合光器19由四块镀制特定光学薄膜的直角棱镜胶合而成。在图中所示的第一对角面，即A表面镀制红光反射膜，用于反射红MicroLED发出的中心方向沿第一方向的红色光束；第二对角面，即B表面镀制蓝光反射膜，用于反射蓝 MicroLED发出的中心方向沿第二方向的蓝色光束；对于绿MicroLED发出的中心方向沿第三方向的绿色光束，所述合光器19对其透射，光束传播方向不变。其中，A表面与B表面相互垂直。R、G、B三个单色图像，分别从所述特定方向入射至所述合光器19，合色成为一个RGB全彩图像，合色后的图像中心方向沿第三方向。

图6B示出了所述一种R、G、B所述合光器19的三维示意图。

图6C给出了本实施例中的三色MicroLED的光谱分布。

图6D给出了本实施例中的A表面膜层针对不同波长的反射率。

图6E给出了本实施例中的B表面膜层针对不同波长的反射率。

所述合光器19可以有多种形式，图7示出了另一种R、G、B所述合光器19 的平面示意图。所述合光器19包括多个合光元件191，更具体地，其包括三个合光棱镜1911，1912，1913，对应三个镀制特定光学薄膜的棱镜，从而所述合光器19由三个镀制特定光学薄膜的棱镜胶合而成。具体地，红MicroLED发出的红色光束进入后先在第一合光棱镜1911的第二表面19112全反射，反射至所述第一合光棱镜1911第一表面19111再利用所镀的光学薄膜反射。蓝MicroLED 发出的蓝色光束进入后先在所述第一合光棱镜1911和所述第二合光棱镜1912之间的细小的空气隙发生全反射，反射至第二合光棱镜1912第一表面19121再利用所镀的光学薄膜反射。绿MicroLED发出的绿色光束进入第三合光棱镜1913，在所述合光器19中透射传播，最终从第一合光棱镜1911的第二表面19112出射。 R、G、B三个单色图像，分别从特定方向入射至所述合光器19，合色成为一个 RGB全彩图像。其中，R、G、B三个单色MicroLED的位置和方向根据所述合光器19中的棱镜角度和放置方式灵活设置。

本实用新型的另一种可行方式的一显像设备被阐述，如图8，其中所述显像设备包括一发光元件10、一投影镜头20以及一传输元件30，其中所述发光元件 10和所述投影镜头20的结构与图5中上述优选实施例的所述显像设备的所述发光元件10和所述投影镜头20类似，本实用新型不再赘述。

对于显像设备，使用单层波导传输三色光，容易发生串扰，造成色散和鬼像等问题，增加了光学设计的困难性。本优选实施例针对上述问题，提出了一种解决方案。如图8所示，是一种基于R、G、B三个单色MicroLED的显像设备。所述第一发光元件11、所述第二发光元件12、所述第三发光元件13发出的光束经所述合光器19，合色成为一个RGB全彩图像，再经过所述投影镜头20准直后，输入到所述传输元件30中。所述传输元件30包括叠加放置的两层结构构成相同的所述传导层32，但两层所述传导层32分别针对不同入射波长设计。示例性的，第一层所述传导层321针对红光设计，第二层所述传导层322针对蓝绿光设计。RGB图像中的红光分量由第一层所述耦入部件311衍射后，在第一层所述传导层321中发生全反射，并向第一层所述耦出部件331前进，最后被衍射耦出，进入所述投影区；RGB图像中的蓝绿光分量由第二层所述耦入部件312衍射后，在第二层所述传导层322中发生全反射，并向第二层所述耦出部件332前进，最后被衍射耦出，进入所述投影区。通过这样一种基于R、G、B三个单色 MicroLED的双层波导显示装置，实现了高像质、小像差的全彩显示。同理，也可以第一波导针对蓝光设计，第二波导针对红绿光设计，也可以使用三层波导分别对红、绿、蓝三色光进行传输等。图8是以衍射光波导为例，示出了一种基于 R、G、B三个单色MicroLED的全彩双层波导显像设备，实际上所述传输元件 30可以为衍射光波导或几何光波导，全彩图像可以采用RGB全彩MicroLED微发光元件10、或者使用一个双色MicroLED发光元件10与一个单色MicroLED 发光元件10、亦或是使用R、G、B三个单色MicroLED发光元件10来提供，本实用新型包括但不限于此示例。

更多地，本优选实施例，本实用新型的所述显像设备包括一发光元件10、一投影镜头20和一传输元件30，其中由所述发光元件10发出的光线经过所述投影镜头20被导向所述传输元件30，最终由所述传输元件30向外导出。优选地，所述发光元件10采用三色MicroLED，如图9所示。值得一提的是，所述传输元件30向外地输出图像供用户观看，用户观看的位置并不受限制。也就是说，对于所述显像设备的输出，用户观看的位置和角度并没有被限定。更多地，所述显像设备进一步地包括一合光器19，所述合光器19被设置在所述发光元件10，以供向所述投影镜头20传导经过所述合光器19的光线。

所述合光器19的出光面相对于所述投影镜头20而设置，所述投影镜头20 的出光面相对所述传输元件30而设置。也就是说，由所述发光元件10发出的光线单向地被引导至所述传输元件30而形成图像光路。本优选实施例中，所述发光元件10为三个单色的R、G、B三个单色MicroLED，为了方便描述分别称为第一发光元件11、第二发光元件12、第三发光元件13。所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13分别地被设置于所述合光器19 的不同的特定方向。需要说明的是，所述第一发光元件11、所述第二发光元件 12以及所述第三发光元件13被控制而发出光线，可以是单独的光线，也可以是单色的图像。如图9所示，所述合光器19为合色棱镜，能够出射全彩图像。可以理解的是，所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13的位置和角度配合所述合光器19的位置而布置。

所述传输元件30包括一耦入部件31、一传导层32以及一耦出部件33，其中所述耦入部件31和所述耦出部件33被预设于所述传导层32的侧部。本优选实施例中，所述传输元件30包括三个所述传导层32，分别地包括三个所述耦入部件31和三个所述耦出部件33。较之前述优选实施例，每个所述传导层32，即所述第一传导层321，所述第二传导层322，所述第三传导层323分别地传导不同波段的光线，避免发生串扰、色散、鬼像等等问题。例如，所述第一传导层 321针对红光，所述第二传导层322针对蓝光，所述第三传导层323针对绿光。也就是说，图像由所述第一发光元件11、所述第二发光元件12以及所述第三发光元件13发出后，在所述合光器19和所述投影镜头20进行处理，而后再经过所述传输元件30分别地传导，最后衍射耦出，形成所述投影区而展现图像。

本优选实施例的每个传导层32分别具有各自的所述耦入部件31和所述耦出部件33，被称为第一耦入部件311、第二耦入部件312、第三耦入部件313，以及第一耦出部件331、第二耦出部件332、第三耦出部件333。优选地，每个所述耦入部件31和每个耦出部件33分别地针对不同波长和各自的所述传导层33 而设计。也就是说，每个所述耦入部件31和每个耦出部件33分别地进行单独处理，然后经过不同的所述传导层32向一定距离之外进行投射。

更多地，本优选实施例的应用如图10所示，所述投射装置100和所述传输元件30被集成于一穿戴式眼镜。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本实用新型的实施例只作为举例而并不限制本实用新型。本实用新型的目的已经完整并有效地实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本实用新型的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (10)

1.一种基于MicroLED的显像设备，其特征在于，包括：

一发光元件和一投影镜头，其中所述发光元件包括至少一MicroLED，并且被控而发出图像光线，其中所述投影镜头用于准直所述发光元件发出的光线；以及

一传输元件，所述传输元件包括一耦入部件、一传导层以及一耦出部件，其中所述耦入部件具有反射面，所述耦入部件用于接收并耦合被所述投影镜头准直后的平行光束，所述传导层将耦入的光不断全反射至所述耦出部件。

2.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件的MicroLED的配置选自组合：一个三色MicroLED、至少三个单色MicroLED、至少一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED。

3.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件包括三个单色MicroLED，所述显像设备还包括一合光器，其对一部分所述单色MicroLED发出的光透射并剩余部分所述单色MicroLED发出的光反射以使所述三个单色MicroLED发出的光经所述合光器后形成全彩图像光线。

4.根据权利要求3所述的显像设备，其特征在于，所述合光器包括具有镀膜的四个直角棱镜，并且形成相互垂直的两对角面，其中两个所述单色MicroLED分出的光分别到达所述两对角面并被反射，另一所述单色MicroLED被所述直角棱镜透射。

5.根据权利要求3所述的显像设备，其特征在于，其中所述合光器包括具有镀膜的三个合光棱镜，两个所述单色MicroLED发出的光分别入射至其中两个所述合光棱镜后经反射而改变光线路径，另一单色MicroLED发出的光入射至剩余的所述合光棱镜后被透射，并且与被反射后的两个所述单色MicroLED发出的光形成所述全彩图像光线。

6.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件包括一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED，所述显像设备还包括一合光器，其对所述单色MicroLED发出的光透射并将所述双色MicroLED发出的光反射以使所述发光元件发出的光经所述合光器后形成全彩图像光线。

7.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件包括一个双色MicroLED与相配合的一个单色MicroLED，所述显像设备还包括一合光器，其将所述单色MicroLED发出的光反射并将所述双色MicroLED发出的光透射以使所述发光元件发出的光经所述合光器后形成全彩图像光线。

8.根据权利要求6或7所述的显像设备，其特征在于，其中所述合光器包括具有镀膜的平面光学元件，其与所述双色MicroLED和所述单色MicroLED分别呈45°和-45°放置。

9.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件的所述MicroLED采用选自键合和倒装中的一种方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接。

10.根据权利要求1所述的显像设备，其特征在于，其中所述发光元件选自涂覆有纳米材料荧光粉的UV LED和蓝光LED中的一种。

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