一种基于光纤阵列的全彩显示器件

本发明涉及微显示，特别是涉及一种基于光纤阵列的全彩显示器件。

背景技术：

1、随着显示器件向小型化、高分辨率以及形态可定制化方向发展，新型显示技术在近眼显示、微显示、可穿戴显示、人机交互及其他集成光电场景中受到广泛关注。以micro-oled、micro-led、mini-led为代表的微型像素发光器件具有亮度高、响应速度快、寿命长等优点，已成为新一代显示技术的重要发展方向。

2、然而，现有微显示技术在面临新型应用场景时，仍存在以下核心瓶颈：

3、其一，显示形态受限，难以实现柔性化或曲面化。传统micro-led、oled等自发光显示屏中，发光芯片或发光层与显示面板的驱动电路、基板紧密集成于一体，形成一个刚性的整体结构。受限于这一架构，屏幕难以自由弯折或贴附于不规则表面，无法满足可穿戴设备、异形显示器、贴附式显示等新兴应用对显示形态的多样化需求。

4、其二，发光源与显示端强绑定，系统布局僵硬。现有微型显示器件中，光源驱动电路与显示区域必须集中布置于同一物理位置，导致系统体积难以进一步缩减，局部散热集中，制约了高亮度显示的发展。此外，在近眼显示、头戴显示等应用中，无法实现“光源与驱动端在a处、显示端在b处”的远端分离式布局，限制了系统结构设计的自由度。

5、其三，全彩化与像素串扰之间的矛盾突出。为实现全彩显示，现有技术通常采用多色发光芯片集成、彩色滤光结构或波长转换材料等方案。然而，当采用量子点等波长转换材料实现像素化颜色转换时，相邻子像素之间的光易发生侧向渗透（即光学串扰），导致色彩纯度下降、显示对比度降低。此外，经波长转换后输出的光场分布固定，难以与不同应用场景下的投影镜头、近眼光学系统等的入光要求相匹配，导致光能利用率下降或显示效果劣化。

6、针对上述问题，现有技术中尚未提出有效的解决方案。如何在实现全彩显示的同时，赋予显示器件柔性化或曲面化能力、实现发光源与显示端的分离布置、抑制子像素间的光学串扰并实现出射光场的有效调控，是当前微显示技术领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述的一部分缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光纤阵列的全彩显示器件，旨在实现显示器件形态可定制、结构布局灵活且显示质量高的全彩微显示。

2、为实现上述目的，本发明开了一种基于光纤阵列的全彩显示器件，所述显示器件包括：像素阵列发光源、光纤阵列传输模块、波长转换层模块以及显示端光学调控模块；

3、所述像素阵列发光源，用于提供激发光；

4、所述光纤阵列传输模块，由按阵列排布的多根光纤纤芯构成，至少具有入光端与出光端两个端面，所述激发光由所述入光端耦入并在所述光纤纤芯中传输至所述出光端出射；

5、所述波长转换层模块，设置于所述光纤阵列传输模块的入光侧、出光侧或传输路径中的预定截面处，用于对所述激发光进行像素化波长转换；所述波长转换层模块包含由多个子像素构成的子像素阵列，所述子像素阵列至少包括红色子像素区域、绿色子像素区域和蓝色子像素区域，以实现全彩显示；至少部分所述子像素区域包含波长转换材料，所述波长转换材料吸收短波长的所述激发光并发射长波长的目标波长光；相邻子像素之间设置有黑矩阵，所述黑矩阵用于抑制相邻子像素之间的光学串扰；其中，所述光纤阵列传输模块的入光侧为所述入光端的一侧，所述光纤阵列传输模块的出光侧为所述出光端的一侧；

6、所述显示端光学调控模块，设置于所述波长转换层模块的出射侧或所述光纤阵列传输模块的出光侧，用于对输出光进行整形和/或优化，以形成匹配既定光分布的显示效果。

7、可选的，所述波长转换层模块包括沿所述激发光传输方向依次设置的至少两级波长转换子层，各所述波长转换子层沿所述激发光传输方向设置于不同的轴向位置处；沿所述激发光传输方向，前一级波长转换子层的发射波长作为后一级波长转换子层的至少部分激发波长，后一级波长转换子层的发射波长大于前一级波长转换子层的发射波长，从而形成级联波长转换路径，使该波长转换层模块的总转换波长差由所述至少两级波长转换子层分担，进而将波长转换产生的热量通过分级转换分散至不同位置，减轻热累积。

8、可选的，所述波长转换子层为三层结构，包括：

9、第一波长转换子层，设置于所述光纤阵列传输模块的入光侧，用于将所述激发光中的至少一部分转换为第一中间波长光；

10、第二波长转换子层，设置于所述光纤阵列传输模块的传输路径中的预定截面处，用于将所述第一中间波长光中的至少一部分转换为第二中间波长光，所述第二中间波长光的波长大于所述第一中间波长光的波长；

11、第三波长转换子层，设置于所述光纤阵列传输模块的出光侧，用于将所述第二中间波长光中的至少一部分转换为目标输出波长光，所述目标输出波长光的波长大于所述第二中间波长光的波长。

12、可选的，所述激发光为蓝光或紫光，所述第一中间波长光为绿光，所述第二中间波长光为黄光或橙光，所述目标输出波长光为红光。

13、可选的，所述光纤阵列传输模块还包括导热结构，所述导热结构设置于所述光纤纤芯的外围，且所述导热结构沿所述光纤阵列传输模块的轴向延伸，用于将各所述波长转换子层处产生的热量沿轴向传导至预定散热区域；所述导热结构为选自环形热管、高导热材料包层及其组合中的至少一种，所述高导热材料包层的材料选自氮化硼、金刚石、石墨烯及其复合材料中的一种或多种。

14、可选的，所述至少两级波长转换子层中，相邻两级波长转换子层之间设置有波长选择性透射层，所述波长选择性透射层用于使前一级波长转换子层的发射波长透射至后一级波长转换子层，并至少部分反射前一级波长转换子层的激发波长。

15、可选的，相邻所述光纤纤芯之间设置有光隔离填充层，所述光隔离填充层选自低折射率材料、吸光材料、遮光材料、反射隔离材料及其组合中的一种或多种，用于降低相邻纤芯之间的光耦合并抑制像素间串扰。

16、可选的，所述光纤阵列传输模块选自以下两种形态之一：

17、软质光纤束，由多根光纤纤芯集束构成，多根所述软质光纤束按阵列排布，且其出光端重排为面阵结构并固定于柔性基底上，以形成柔性显示区域；

18、硬质光纤面板，为由多根光纤纤芯按阵列方式排布并经熔合形成的整体式板状结构，且所述硬质光纤面板的输出端表面为平面或曲面，其中曲面用于实现曲面微显示阵列光输出。

19、可选的，所述波长转换层模块通过在所述光纤阵列传输模块的端面形成图案化波长转换层而制备，所述形成方式包括：对所述端面进行清洗、表面活化和/或表面改性处理后，采用沉积、涂覆、喷墨打印、转移印刷、光刻或纳米压印方式，在所述端面形成与所述光纤阵列的出光单元对应的波长转换子像素阵列；

20、所述黑矩阵通过在相邻子像素区域之间形成图案化遮光结构而制备，所述黑矩阵的侧壁为相对于厚度方向倾斜设置的倾斜侧壁或相对于厚度方向基本直立的直壁。

21、可选的，所述像素阵列发光源的单个发光区域与所述波长转换层模块的子像素区域一一对应或按预定倍数对应；

22、且当所述激发光为蓝光时，所述蓝色子像素区域为透射所述激发光的空白区域或填充透光基体材料的区域；当所述激发光为紫光时，所述蓝色子像素区域包含用于将紫光转换为蓝光的波长转换材料。

23、本发明的有益效果：1、本发明通过光纤阵列传输模块作为发光源与显示端之间的光传输桥梁，实现了二者的物理分离布置。发光源的驱动电路和发热元件可设置于远端，显示端仅保留轻薄的光纤出射结构，从而显著缩减了显示端的体积与厚度，并且允许显示端独立于发光源进行柔性化或曲面化设计，可贴附于不规则表面，满足可穿戴显示、异形显示等新兴应用对显示形态的多样化需求。2、波长转换层模块可灵活设置于光传输路径的入光侧、出光侧或预定截面处，并配合相邻子像素之间的黑矩阵结构，有效抑制了像素间因光侧向渗透而产生的光学串扰，提升了色彩纯度和显示对比度。同时，显示端光学调控模块对输出光进行准直、匀化或扩散，使出射光场与后续投影镜头或近眼光学系统的入光要求相匹配，提高了光能利用率和显示效果。3、当采用至少两级波长转换子层沿光传输方向依次设置时，单级大跨度的波长转换被分解为多级较小跨度的波长转换，使该波长转换层模块的总转换波长差由各级波长转换子层分担。由于单级转换的波长跨度减小，各级转换过程中的斯托克斯位移损耗相应降低，能量转换效率得以提升；同时，波长转换产生的热量不再集中于单一截面，而是分散至光纤阵列传输模块的不同轴向位置，有效缓解了局部热积累，减缓了波长转换材料的热致老化，延长了器件使用寿命。此外，相邻两级波长转换子层之间设置波长选择性透射层，使前一级的发射波长透射至后一级，同时至少部分反射前一级残留的短波激发光使其返回前一级重新参与转换，进一步提高了波长转换效率和出射光的光谱纯度。

24、综上所述，本发明通过光纤阵列传输实现了发光源与显示端的分离布置及显示形态的柔性化与曲面化，通过黑矩阵结构抑制了像素间串扰并配合光学调控模块实现了出射光场的按需调控，通过级联波长转换架构降低了斯托克斯位移损耗、分散了热积累并延长了器件寿命。本发明在显示形态灵活性、系统布局自由度、色彩纯度、光能利用率及工作稳定性等方面均取得了显著进步，可广泛应用于微显示、近眼显示、柔性显示及微型投影显示等领域。