CN220381442U - 双片式Micro-LED投影光学装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及Micro‑LED投影领域，具体涉及一种双片式Micro‑LED投影光学装置，用于提升Micro‑LED投影光学装置的输出亮度、简化其整体架构和降低合色棱镜的成本。方案包括蓝红光Micro‑LED芯片、绿光Micro‑LED芯片、合色棱镜以及投影镜头，蓝红光Micro‑LED芯片与绿光Micro‑LED芯片设置在合色棱镜两个相邻表面正前方，投影镜头正对蓝红光Micro‑LED芯片或绿光Micro‑LED芯片设置在合色棱镜后方，蓝红光Micro‑LED芯片包括多个蓝红光单元，蓝红光单元包括蓝光子像素与红光子像素，红光子像素通过在蓝光子像素的发光表面依次设置量子点转化膜与滤光片获得。

Description

双片式Micro-LED投影光学装置

技术领域

本实用新型涉及Micro-LED投影领域，具体涉及一种双片式Micro-LED投影光学装置。

背景技术

近年来，微发光二极管(Micro-LED)显示技术发展迅速。Micro-LED具有主动发光、高亮度、高对比度等优势。其中，单像素尺寸小于10μm的Micro-LED微显示屏在投影显示领域存在着巨大的应用潜力，从而受到了人们的关注。

目前，Micro-LED投影光学装置的主流技术方案是三片式方案，即分别使用红、绿、蓝三色Micro-LED微显示芯片作为光源，进而通过X-tube棱镜进行合色，最后由投影镜头成像至屏幕。在要求获得等能白光的条件下，根据配色理论可知，绿光亮度最高，红光次之，蓝光亮度最低。然而，随着单像素尺寸的不断缩小，高亮度红光Micro-LED的制备面临着严峻的挑战，目前仍难以实现。因此，红光亮度不足会导致绿光和蓝光的输出亮度受限，进而严重地制约整机亮度。

换言之，较为成熟的蓝、绿光Micro-LED芯片无法充分发挥其性能优势。另一方面，三片式Micro-LED投影光学装置中用于合色的X-tube棱镜包含4块直角三角形棱镜，需要在胶合面镀制两种不同类型的光学薄膜，其制备难度和成本相对较高。

目前，量子点光致发光技术进展迅速，从而为Micro-LED投影光学装置的实现和简化提供了新的技术途径。专利US10281812B2较早地提出了使用量子点转化膜产生红光，但仍局限于三片式Micro-LED投影光学装置；专利CN216718895U中涉及的双片式方案要求将蓝光、绿光Micro-LED像素集成在单块芯片上，明显提升了芯片的制备难度，且其颜色配比不够科学，容易导致绿光输出亮度不足；专利CN114488666A提出的双片式方案要求将波长转换元件和光集中元件设置在光束传递路径上而非紧贴像素表面，故而产生像素串扰的风险较高，且采用单片分光镜合色会导致两路图像出现一定错位，致使合色难度增大。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种双片式Micro-LED投影光学装置，能够提升Micro-LED投影光学装置的输出亮度并简化其整体架构，同时降低了合色棱镜的成本。

本实用新型采取如下技术方案实现上述目的，双片式Micro-LED投影光学装置，包括蓝红光Micro-LED芯片1、绿光Micro-LED芯片2、合色棱镜3以及投影镜头4，蓝红光Micro-LED芯片1与绿光Micro-LED芯片2设置在合色棱镜3两个相邻表面正前方，投影镜头4以正对蓝红光Micro-LED芯片1或绿光Micro-LED芯片2的方式设置在合色棱镜3后方，所述蓝红光Micro-LED芯片1包括多个蓝红光单元10，所述蓝红光单元10包括蓝光子像素11与红光子像素12，所述红光子像素12是通过在蓝光子像素11的发光表面依次设置量子点转化膜121与滤光片122获得的。

进一步的是，所述蓝红光Micro-LED芯片1与绿光Micro-LED芯片2相互垂直。

进一步的是，所述绿光Micro-LED芯片2包括多个绿光单元20，所述绿光单元20包括绿光子像素21。

进一步的是，所述蓝红光单元10与绿光单元20的尺寸、数量以及排布方式完全相同。

进一步的是，所述蓝红光单元10内的蓝光子像素11与红光子像素12拼接组成的图案与绿光子像素21完全相同。

进一步的是，所述合色棱镜3由两块大小相同的等腰直角三角形棱镜胶合组成，当绿光Micro-LED芯片2正对投影镜头4时，在胶合面镀制透绿反红蓝光学薄膜31，当蓝红光Micro-LED芯片1正对投影镜头4时，在胶合面镀制透红蓝反绿光学薄膜32。

进一步的是，投影镜头4包括多片透镜。

本实用新型通过设置量子点转化膜和滤光片，将单块蓝红光Micro-LED芯片上一半的蓝光子像素转化为红光子像素，替代了尚未成熟的红光Micro-LED芯片，从而有利于充分发挥蓝、绿Micro-LED芯片的性能优势，输出亮度更高的全彩画面。同时，与三片式结构相比，本实用新型提出的双片式结构减少了Micro-LED微显示芯片的需求数量，并简化了合色棱镜结构，从而有利于简化Micro-LED投影光学装置的整体架构并降低成本，进而为Micro-LED投影装置的实现提供了一种新的技术途径。

附图说明

图1为一种双片式Micro-LED投影光学装置的结构示意图；

图2为蓝红光单元和绿光单元的示意图；

图3为红光子像素的示意图；

图4为不同形状子像素的示意图；

图5为面积比不同的蓝光子像素和红光子像素示意图；

图6为本实用新型第二种实施例的示意图；

图7为屏幕上单个像素以及其视觉效果的示意图；

附图中，1代表蓝红光Micro-LED芯片，10代表蓝红光单元，11代表蓝光子像素，12代表红光子像素，121代表量子点转化膜，122代表滤光片，2代表绿光Micro-LED芯片，20代表绿光单元，21代表绿光子像素。3代表合色棱镜，31代表透绿反红蓝光学薄膜，32代表透红蓝反绿光学薄膜。4代表投影镜头。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图1-7对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。

如附图1所示，为本实用新型提供的一种双片式Micro-LED投影光学装置，包括蓝红光Micro-LED芯片1、绿光Micro-LED芯片2、合色棱镜3以及投影镜头4。所述蓝红光Micro-LED芯片1包括多个蓝光子像素11和红光子像素12，绿光Micro-LED芯片2包括多个绿光子像素21。蓝红光Micro-LED芯片1和绿光Micro-LED芯片2以相互垂直的方式放置于合色棱镜3相邻两个表面的前方，且蓝红光Micro-LED芯片1与绿光Micro-LED芯片2到合色棱镜3表面的距离相等。投影镜头4以正对绿光Micro-LED芯片2的方式放置于合色棱镜3后方。

如附图2所示，蓝红光Micro-LED芯片1包含多个蓝红光单元10，每个蓝红光单元10中包含1个蓝光子像素11和1个红光子像素12。绿光Micro-LED芯片2包含多个绿光单元20，每个绿光单元20中仅包含1个绿光子像素21。蓝红光单元10和绿光单元20的形状、尺寸以及排布方式完全相同。任一蓝红光单元10内的蓝光子像素11和红光子像素12拼接后的图案(包含两像素间的空白区域)与绿光子像素21完全重合。显而易见地，这种布局方式也有利于满足绿光亮度最高的配色要求。

在芯片制备阶段，对于每个蓝红光单元10，需要使2个蓝光子像素11分别与驱动基板键合。对于每个绿光单元20，仅需使1个绿光子像素21与驱动基板键合即可。而且，需要确保2个蓝光子像素11的尺寸均小于绿光子像素21。由此可见，本实用新型并未要求将不同类型的Micro-LED像素集成到单块芯片上，因而不会导致芯片制备难度进一步上升。

在此基础上，如附图3所示，对于各个蓝红光像素单元10，保持1个蓝光子像素11不变，在另一个蓝光子像素11的出光表面上方涂敷量子点转化膜121，进而在量子点转化膜121上方设置滤光片122，从而将该蓝光子像素11转变为红光子像素12。量子点转化膜121能够吸收蓝光子像素11产生的大部分蓝光并将其转化为红光。滤光片122能够吸收未能转化为红光的残余蓝光，以避免红光纯度受到影响。

在本实用新型的一种实施例中，所述量子点转化膜121的主要成分可以为硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)和磷化铟(InP)等半导体材料。

对于主波长在450nm附近的蓝光Micro-LED，各种量子点材料受激产生的红光主波长大多在620nm-630nm左右，故而可知所述红光的视见函数远高于蓝光。因此，即便量子点转化膜121和滤光片122存在一定的损耗，红光子像素12仍能输出亮度较高的红光，从而有利于满足配色需求。

如附图2和附图4所示，绿光子像素21的形状，亦即蓝光子像素11和红光子像素12拼接后组成的图案形状，可以为矩形、圆形、六边形或其他形状，本实用新型不对此进行限定。

如附图5所示，单个蓝红光单元10内的蓝光子像素11和红光子像素12的面积比可以根据蓝、红光亮度需求以及蓝光转化为红光的实际效率进行一定的调整，即蓝光子像素11和红光子像素12的大小可以不同。

在本实用新型的一种实施例中，从降低Micro-LED芯片制备难度和成本的角度考虑，各个子像素的形状应均为矩形，且蓝光子像素11和红光子像素12的尺寸相同。

在本实用新型的一种实施例中，蓝红光Micro-LED芯片1和绿光Micro-LED芯片2可以包括光束整形结构，用于缩小各个像素表面出射光束的发散角，进而达到提升光学效率的目的。所述光学整形结构的具体方案可以为微透镜阵列或光子晶体结构等。

在此基础上，由蓝红光Micro-LED芯片1产生的红、蓝光和绿光Micro-LED芯片2产生的绿光会以正交方向进入合色棱镜3。合色棱镜3由两块完全相同的等腰直角三角形棱镜胶合制成。如附图1所示，若绿光Micro-LED芯片2正对投影镜头4，则合色棱镜3的胶合面应镀制透绿反红蓝光学薄膜31。对于本实用新型的第二种实施例，如附图6所示，若蓝红光Micro-LED芯片1正对投影镜头4，则合色棱镜3的胶合面应镀制透红蓝反绿光学薄膜32。显而易见地，相比于三片式Micro-LED投影光学引擎的X-tube棱镜，所述合色棱镜3的结构明显简化，仅需进行一次胶合并镀制一种类型的光学薄膜即可。

在本实用新型的一种实施例中，所述透绿反红蓝光学薄膜31或透红蓝反绿光学薄膜32对相应色光的透过率和反射率应达到90％及以上。进一步地，可根据膜层成本和实测透过率对本实用新型的两种实施例进行优选。

三色光通过合色棱镜3合束并形成彩色图像后，会进入投影镜头4。所述投影镜头4包含2片及以上的透镜，其目的是校正投影镜头4中的各种像差，确保在屏幕上获得清晰放大的彩色图像。所述透镜的具体指标，包括口径、曲率、材料、厚度、间距等，则需根据Micro-LED芯片发光区域的尺寸和单像素大小、投影距离和偏置要求等参数进行确定。

如附图7(a)所示，屏幕上任一像素点均由对应的蓝光子像素11、红光子像素12和绿光子像素21所成的像组成。为了确保较好的合色效果，需对蓝红光Micro-LED芯片1和绿光Micro-LED芯片2的位置进行微调，通过对其显示区域进行对位，使蓝光子像素11和红光子像素12所成的像拼接组成的图案(包括像之间的空隙)与绿光子像素21所成的像重合。在此基础上，可以分别控制蓝红光Micro-LED芯片1和绿光Micro-LED芯片2上对应各组子像素的输出亮度，进而满足屏幕上各个像素点对亮度和色彩的不同需求。

需要说明的是，尽管单组红、绿、蓝像素点在空间上无法完全重叠，但只要确保屏幕画面具有足够高的显示分辨率，就不会影响观看效果。如附图7(b)所示，在正常的观看距离上，人眼只会因三基色光比例的不同而感到像素所在区域存在颜色上的差异，但无法分辨单个像素点以及像素点内部的细节。实际上，观看者只有在足够接近屏幕的情况下才能识别出单个像素点。

在本实用新型的一种实施例中，为了确保较好的观看体验，若以蓝红光单元10和绿光单元20的数量作为标准，则蓝红光Micro-LED芯片1和绿光Micro-LED芯片2的物理分辨率应达到1920×1080(即1080P)及以上。此外，对于本实用新型的部分实施例，可以适当地降低Micro-LED芯片的物理分辨率来降低芯片制造难度，并在投影镜头4中引入振镜来确保屏幕显示分辨率不低于1080P。当然，在Micro-LED芯片物理分辨率满足需求的条件下，也可以使用振镜来进一步提升屏幕显示分辨率，以获得更好的视觉效果。然而，振镜会不可避免地降低屏幕画面的帧率，故而需要仔细权衡是否使用。

在本实用新型的一种实施例中，参考当前典型技术条件，可以使蓝光子像素11和红光子像素12的尺寸均为8μm×3μm，使绿光子像素21的尺寸为8μm×8μm，并令任意相邻子像素的间距为2μm。因此，蓝红光单元10和绿光单元20的尺寸均为10μm×10μm。若Micro-LED芯片具备1080P的物理分辨率，则相应的显示区域尺寸约为19.20mm×10.80mm，即对应约0.87英寸。该尺寸虽然略大于当前主流的DMD(数字微镜器件)和3LCD(液晶)芯片，但并不会为合色棱镜3和投影镜头4的制备带来特别大的困难。当然，可以预见的是，随着Micro-LED制备技术的逐步成熟，上述单像素尺寸和像素间距均有望进一步缩小，故而显示芯片也能进一步小型化，从而降低对合色棱镜3和投影镜头4的口径要求，并缩小整个投影光学装置的体积。

综上所述，本实用新型能够通过量子点转化膜产生红光来替代红光Micro-LED芯片，从而有利于提升Micro-LED投影光学装置的输出亮度并简化其整体架构，同时降低了合色棱镜的成本。

Claims (7)

1.双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，包括蓝红光Micro-LED芯片(1)、绿光Micro-LED芯片(2)、合色棱镜(3)以及投影镜头(4)，蓝红光Micro-LED芯片(1)与绿光Micro-LED芯片(2)设置在合色棱镜(3)两个相邻表面正前方，投影镜头(4)以正对蓝红光Micro-LED芯片(1)或绿光Micro-LED芯片(2)的方式设置在合色棱镜(3)后方，所述蓝红光Micro-LED芯片(1)包括多个蓝红光单元(10)，所述蓝红光单元(10)包括蓝光子像素(11)与红光子像素(12)，所述红光子像素(12)是通过在蓝光子像素(11)的发光表面依次设置量子点转化膜(121)与滤光片(122)获得的。

2.根据权利要求1所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，所述蓝红光Micro-LED芯片(1)与绿光Micro-LED芯片(2)相互垂直。

3.根据权利要求1所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，所述绿光Micro-LED芯片(2)包括多个绿光单元(20)，所述绿光单元(20)包括绿光子像素(21)。

4.根据权利要求3所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，所述蓝红光单元(10)与绿光单元(20)的尺寸、数量以及排布方式完全相同。

5.根据权利要求3所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，所述蓝红光单元(10)内的蓝光子像素(11)与红光子像素(12)拼接组成的图案与绿光子像素(21)完全相同。

6.根据权利要求1所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，所述合色棱镜(3)由两块大小相同的等腰直角三角形棱镜胶合组成，当绿光Micro-LED芯片(2)正对投影镜头(4)时，在胶合面镀制透绿反红蓝光学薄膜(31)，当蓝红光Micro-LED芯片(1)正对投影镜头(4)时，在胶合面镀制透红蓝反绿光学薄膜(32)。

7.根据权利要求1所述的双片式Micro-LED投影光学装置，其特征在于，投影镜头(4)包括多片透镜。