基于微显示芯片的微投影系统及智能眼镜的制作方法

1.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微投影系统及智能眼镜。


背景技术：

2.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。
3.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微投影系统是无法应用于微型且可便携设备的。
4.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。
5.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。
6.另一方面，现有技术中的红光micro-led的外量子效率（eqe）是显著低于蓝光micro-led和绿光micro-led的，因此在三片式的微显示芯片微投影系统中，由于红光micro-led的外量子效率较低导致成像效果不理想。
7.有上述可知，如何提高三片式的微显示芯片微投影系统中的红光micro-led的外量子效率以改善微投影系统的成像效果是现有技术中需要解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明所要实现的技术目的在于提供一种基于微显示芯片的微投影系统，其能够解决由于红光micro-led的外量子效率低导致的微投影系统的成像效果差的缺陷。
9.基于上述技术目的，本发明提供一种基于微显示芯片的微投影系统，所述微投影系统包括：第一微显示芯片、第二微显示芯片、第三微显示芯片及合光光学器件；其中，所述第一微显示芯片发射第一波长光学图像，且所述第一波长光学图像直接输入至所述合光光学器件的第一入射面；所述第二微显示芯片发射第二波长光学图像，且所述第二波长光学图像直接输入至所述合光光学器件的第二入射面；
微投影系统还包括中继光学单元，所述中继光学单元设置在所述第三微显示芯片与合光光学器件的第三入射面之间；所述第三微显示芯片发射第三波长光学图像，且所述第三波长光学图像先入射至中继光学单元，第三波长光学图像经过所述中继光学单元后再入射至所述合光光学器件的第三入射面；所述第一微显示芯片与第二微显示芯片具有第一芯片尺寸d1，所述第一芯片尺寸d1为第一微显示芯片与第二微显示芯片的光学图像矩形发射区域的对角线长度；所述第三微显示芯片具有第二芯片尺寸d2，所述第二芯片尺寸d2为第三微显示芯片的光学图像矩形发射区域的对角线长度；所述中继光学单元距合光光学器件的第三入射面的距离为l1，所述中继光学单元的合光光学器件侧视场角为α1；所述中继光学单元距第三微显示芯片的距离为l2，所述中继光学单元的第三微显示芯片侧视场角为α2；并且：；且所述第二芯片尺寸d2设定为所述第一芯片尺寸d1的至少两倍。
10.在一个实施例中，所述第一微显示芯片、第二微显示芯片及第三微显示芯片均为micro-led微显示芯片，其中所述第一微显示芯片为单色绿光micro-led微显示芯片，所述第二微显示芯片为单色蓝光micro-led微显示芯片，所述第三微显示芯片为单色红光micro-led微显示芯片。
11.在一个实施例中，所述中继光学单元自第三微显示芯片侧向合光光学器件侧依次包括第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4；其中所述第一透镜l1和第二透镜l2构成第一光学透镜组，所述第一光学透镜组的光焦度φ1为负，所述第二透镜l3和第四透镜l4构成第二光学透镜组，所述第二光学透镜组的光焦度φ2为正。
12.在一个实施例中，所述中继光学单元的第三微显示芯片侧视场角为α2大于合光光学器件侧视场角为α1。
13.在一个实施例中，所述合光光学器件由四块直角棱镜胶合而成，在各个直角棱镜的不同表面上镀有针对不同波长光束的反射膜。
14.在一个实施例中，所述微投影系统还包括镜头组件，所述合光光学器件将第一微显示芯片、第二微显示芯片和第三微显示芯片入射的光学图像混合后由出射面射出，合光后的光学图像入射至镜头组件，并被放大投影至投影面上。
15.本发明还提供一种基于微显示芯片的微投影系统，所述微投影系统包括：第一微显示芯片、第二微显示芯片、第三微显示芯片及合光光学器件；其中，所述第一微显示芯片发射第一波长光学图像，且所述第一波长光学图像直接输入至所述合光光学器件的第一入射面；所述第二微显示芯片发射第二波长光学图像，且所述第二波长光学图像直接输入至所述合光光学器件的第二入射面；所述第三微显示芯片发射第三波长光学图像，且所述第三波长光学图像直接输入至所述合光光学器件的第三入射面；所述第一微显示芯片与第二微显示芯片具有第一像素分辨率p1，所述第一像素分辨率p1是指第一微显示芯片与第二微显示芯片的矩形发光阵列的像素密度；所述第三微显示芯片具有第二像素分辨率p2，所述第二像素分辨率p2是指第三微显示芯片的矩形发光阵列的像素密度；
且所述第二像素分辨率p2为第一像素分辨率p1的至少两倍。
16.在一个实施例中，所述第一微显示芯片、第二微显示芯片及第三微显示芯片均为micro-led微显示芯片，其中所述第一微显示芯片为单色绿光micro-led微显示芯片，所述第二微显示芯片为单色蓝光micro-led微显示芯片，所述第三微显示芯片为单色红光micro-led微显示芯片。
17.在一个实施例中，所述合光光学器件由四块直角棱镜胶合而成，在各个直角棱镜的不同表面上镀有针对不同波长光束的反射膜。
18.在一个实施例中，所述微投影系统还包括镜头组件，所述合光光学器件将第一微显示芯片、第二微显示芯片和第三微显示芯片入射的光学图像混合后由出射面射出，合光后的光学图像入射至镜头组件，并被放大投影至投影面上。
19.本发明还提供一种智能眼镜，所述智能眼镜包括镜框、镜腿、镜片和微投影系统；所述微投影系统被安装在所述镜腿的外侧，所述镜腿上设置有投影开口，所述微投影系统通过投影开口将投影画面投射到镜片上。
20.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：1.本发明中通过利用具有更大芯片尺寸的红光led微显示芯片，将其发射的光学图像经过中继光学单元进行转换，将其缩小至于蓝绿光led微显示芯片相同尺寸的光学图像画面，从而实现了对红光led微显示芯片外量子效率明显低于蓝绿光led微显示芯片的缺陷，进而提高了投影画面的图像质量。
21.2.本发明中通过利用具有更高显示分辨率的红光led微显示芯片，利用红光led微显示芯片中的两个以上像素与蓝绿光led微显示芯片的一个像素构成一个全彩色图像像素，从而实现了对红光led微显示芯片外量子效率明显低于蓝绿光led微显示芯片的缺陷，进而提高了投影画面的图像质量。
22.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
23.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第三微显示芯片光路示意图；图3是本发明的第一实施例的中继光学单元结构示意图；图4是本发明的第一实施例的合光光学器件结构示意图；图5是本发明的第二实施例的微投影系统结构示意图；图6是本发明的第三实施例的智能眼镜结构示意图。
具体实施方式
24.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。
25.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。
26.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。
27.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。
28.实施例1如图1所示，本实施例的微显示芯片微投影系统包括第一微显示芯片1、第二微显示芯片2、第三微显示芯片3以及合光光学器件4。所述第一微显示芯片1发射第一波长光学图像，且所述第一波长光学图像直接输入至所述合光光学器件4的第一入射面。所述第二微显示芯片2发射第二波长光学图像，且所述第二波长光学图像直接输入至所述合光光学器件4的第二入射面。
29.所述第一微显示芯片1与第二微显示芯片2为具有第一芯片尺寸d1的micro-led微显示芯片，所述第一芯片尺寸d1是指micro-led微显示芯片的矩形可视区域的尺寸，即矩形micro-led发光阵列的光学图像发射区域的对角线长度。本实例中所述第一微显示芯片1与第二微显示芯片2的第一芯片尺寸d1为0.5英寸，即所述第一微显示芯片1与第二微显示芯片2的矩形可视区域的长宽大小为11.0mm
×
6.2mm。所述第一微显示芯片1发射的光学图像为绿光光学图像，即所述第一波长光学图像的波长为530～540nm。所述第一微显示芯片1发射的光学图像为绿光光学图像，即所述第一波长光学图像的波长为530～540nm。所述第二微显示芯片2发射的光学图像为蓝光光学图像，即所述第二波长光学图像的波长为380～460nm。
30.本实施例的微显示芯片微投影系统还包括中继光学单元5，所述中继光学单元5设置在所述第三微显示芯片3与合光光学器件4的第三入射面之间。所述第三微显示芯片发射
第三波长光学图像，且所述第三波长光学图像先入射至中继光学单元5，再入射至所述合光光学器件4的第三入射面。
31.本实施中，所述第三微显示芯片3为具有第二芯片尺寸d2的micro-led微显示芯片，同样的，所述第二芯片尺寸d2是指micro-led微显示芯片的的矩形可视区域，即矩形micro-led发光阵列的光学图像发射区域的对角线长度。本实施例中，所述第三微显示芯片的第二芯片尺寸d2的为1.0英寸，即所述第三微显示芯片的矩形可视区域的长宽大小为22.1mm
×
12.5mm。所述第三微显示芯片发射的光学图像为红光光学图像，即所述第三波长光学图像的波长为615～620nm。
32.本发明中，所述第一芯片尺寸d1大于第二芯片尺寸d2，二者具体的比例关系可以根据蓝绿光微显示芯片及红光微显示芯片的实际尺寸进行设定，同时需参考蓝绿光micro-led芯片与红光micro-led芯片的eqe水平。例如，若使用的蓝绿光micro-led芯片的eqe为30%以上，而红光micro-led芯片的eqe为15%以上时，可以将第二芯片尺寸d2设定为第一芯片尺寸d1的至少两倍，以实现拉近二者之间的显示亮度。本发明中结合芯片实际尺寸，也可以将第二芯片尺寸d2设定为第一芯片尺寸d1的1.67至2.63之间。即当第一芯片尺寸d1为0.38英寸，而第二芯片尺寸d2为1英寸时，第二芯片尺寸d2设定为第一芯片尺寸d1的2.63倍。而当第一芯片尺寸d1为0.6英寸，而第二芯片尺寸d2为1英寸时，第二芯片尺寸d2设定为第一芯片尺寸d1的1.67倍。
33.如图2所示的，本实施例的中继光学单元5为大视场反远射光学系统，所述中继光学单元5距合光光学器件4的第三入射面的距离为l1，所述中继光学单元5的合光器件侧视场角为α1。所述中继光学单元5距第三微显示芯片3的距离为l2，所述中继光学单元5的芯片侧视场角为α2。则根据几何光学原理有：；根据上述公式，可使得第三微显示芯片3发射的光学图像经过中继光学单元5转化后投射到合光光学器件4的第三入射面上时所成图像尺寸大小与第一微显示芯片和第二微显示芯片投射在合光光学器件4的入射面的图像尺寸大小一致。
34.如图3所示，本实施例中的中继光学单元5自第三微显示芯片3侧向合光光学器件4侧依次包括第一透镜l1、第二透镜l2、第三透镜l3和第四透镜l4。其中所述第一透镜l1和第二透镜l2构成第一光学透镜组，所述第一光学透镜组的光焦度φ1为负，从而对第三微显示芯片3所发出的光学图像发散，从而使得芯片侧视场角为α2足够大，并保证所述中继光学单元5距第三微显示芯片3的距离为l2能够尽量小以保证投影设备整体小型化。所述第二透镜l3和第四透镜l4构成第二光学透镜组，所述第二光学透镜组的光焦度φ2为正，从而使得光线汇聚，形成较小的中继光学单元5的合光器件侧视场角为α1，从而控制像差较小，有利于中继光学单元5的像差矫正。
35.根据高斯光学分析，若中继光学单元5在归一化条件下，其系统光焦度φ为1的情况下，则有第二光学透镜组的轴外主光线角放大率γ、以及中继光学单元5的后工作距离h可以表示为：
当中继光学单元5为像方远心光学系统时，则中继光学单元5的光学系统总长度t可以表示为：且由于第二光学透镜组的光焦度φ2与第二光学透镜组的轴外主光线角放大率γ相同。则可以得到第一光学透镜组的孔径角u1、第二光学透镜组的孔径角u2分比为：分比为：第二光学透镜组的轴外主光线相对孔径p为：第二光学透镜组的轴外主光线高度q为：根据上述约束条件，使用zemax对中继光学单元5的透镜进行优化得到如表1所示各个透镜的表面曲率。
36.表1本实例的中继光学单元5在根据上述参数优化后，其最大畸变小于2%，且第三微显示芯片3在合光光学器件4的第三入射面上所形成的光学图像的亮度达到54万尼特，即5.4
×
105cd/m2。其为第三微显示芯片3出射光学图像亮度的约1.89倍。
37.如图4所示的，本实施例的合光光学器件4由四块直角棱镜胶合而成，在不同直角棱镜的不同面上镀有针对不用波长光束的反射膜。本实施例中，如图3所示，第一直角棱镜10的第一表面11和第四直角棱镜的第一表面41上镀有绿光反射膜，用于将第一微显示芯片1入射至合光光学器件4的绿光光学图像反射至合光光学器件4的出射面。同时第三直角棱
镜30的第一表面31和第四直角棱镜40的第二表面42镀有红光反射膜，用于将第三微显示芯片3入射至合光光学器件4的红光光学图像反射至合光光学器件4的出射面。本实施例中，所述绿光反射膜也可以镀在第二直角棱镜20的第一表面21和第三直角棱镜30的第二表面32上，同时所述红光反射膜也可以镀在第二直角棱镜20的第二表面22和第一直角棱镜10的第二表面12上。
38.本实施例的微显示芯片微投影系统还包括镜头组件6，所述合光光学器件4将第一微显示芯片1、第二微显示芯片2和第三微显示芯片3入射的光学图像混合后由出射面射出，合光后的光学图像入射至镜头组件6，并被放大投影至投影面上。
39.实施例2如图5所示，本实施例的微显示芯片微投影系统包括第一微显示芯片100、第二微显示芯片200、第三微显示芯片300、合光光学器件400及投影镜头组件500。所述第一微显示芯片100发射第一波长光学图像，且所述第一波长光学图像直接输入至所述合光光学器件400的第一入射面。所述第二微显示芯片200发射第二波长光学图像，且所述第二波长光学图像直接输入至所述合光光学器件400的第二入射面。
40.所述第一微显示芯片100与第二微显示芯片200为具有第一像素分辨率p1的micro-led微显示芯片，所述第一像素分辨率p1是指micro-led微显示芯片的矩形micro-led发光阵列的像素密度。所述第一微显示芯片100发射的光学图像为绿光光学图像，即所述第一波长光学图像的波长为530～540nm。所述第一微显示芯片100发射的光学图像为绿光光学图像，即所述第一波长光学图像的波长为530～540nm。所述第二微显示芯片200发射的光学图像为蓝光光学图像，即所述第二波长光学图像的波长为380～460nm。
41.所述第三微显示芯片300发射第三波长光学图像直接入射至所述合光光学器件400的第三入射面。
42.本实施中，所述第三微显示芯片3为具有第二像素分辨率p2的micro-led微显示芯片，同样的，所述第二像素分辨率p2是指micro-led微显示芯片的矩形micro-led发光阵列的像素密度。本实施例中，所述第三微显示芯片发射的光学图像为红光光学图像，即所述第三波长光学图像的波长为615～620nm。
43.本实施例中，所述第二像素分辨率p2大于第一像素分辨率p1，具体的，所述第二像素分辨率p2为第一像素分辨率p1的至少两倍。在进行画面显示时，第三微显示芯片的光学图像在产生光学图像时，以横向相邻或竖向相邻的两个led发光单元物理像素作为一个显示画面像素进行图像显示。
44.本实施例中，由于使用两个或多个红光led物理像素来显示一个图像像素，从而提高了显示图像中每个像素的红光显示效果，从而改善了红光微显示芯片外量子效率不足的缺陷。
45.实施例3图5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。
46.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示
例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
47.本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明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，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。