自发光显示与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构

1.本发明涉及投影及成像光学领域，具体涉及一种自发光显示与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构。


背景技术：

2.近年来，micro-led/micro-oled显示技术被公认为是具有革命性突破的下一代显示技术。目前常见的显示技术可以分为两大阵营：基于背光单元的lcd技术和无背光单元的oled技术。目前市场上的显示产品依旧以lcd为主，lcd由于其高稳定性、低功耗、低成本、高亮度以及较薄的厚度一直备受市场青睐，日前基于mini-led背光源的lcd显示屏更是拥有了更高的对比度以及不逊色于oled的薄度，大有取代oled之势。然而lcd技术也有其无法解决的缺陷，由于lcd依靠液晶调控出光，背光源始终工作，因此无法达到完全的暗态，并且由于背光板和液晶层的存在，其尺寸厚度也无法微缩至近眼显示等应用场景。oled是第一种大规模应用于消费领域的像素化自发光显示技术，广泛应用于手机屏幕。oled结构不需要背光板和液晶层，可以做到完全暗态，相比于lcd拥有更高的对比度以及更低的功耗和尺寸，适合微型显示场景。不过寿命和亮度问题依然是oled的最大缺点，不足以成熟应用于ar/vr和微显示等领域。micro-led/micro-oled相比于lcd和oled显示技术，具有尺寸小、亮度高、对比度高、寿命长等特点，结合了两者的优点。micro-led/micro-oled与传统的led/oled结构大体相同，可以看作是缩小的超微型led/oled阵列。由于尺寸的减小，led/oled阵列的单元发光效率在不断提升，从而使得更小的显示屏具有更高的分辨率、亮度和更快的响应速度，当前已有0.13英寸的rgb三色micro-led芯片量产的报道，其绿色亮度高达200万尼特。因此，micro-led/micro-oled的出现为目前由于缺乏高亮度高分辨率和高响应速度的微显示屏而遭遇发展瓶颈的近眼显示及微投影显示领域提供了一个必要的技术基础。
3.传统的投影光学系统按光调制原理的不同可以分为三种：lcd、lcos和dlp投影，这些技术的光路设计各有不同，但其内部的光路准直、匀光等系统非常复杂，导致现有投影系统的体积难以进一步微缩化。随着micro-led/micro-oled的出现，采用micro-led/micro-oled光源的微型投影系统将迎来空前机遇，即自发光投影。传统结构的投影引擎使用的光源是非像素化的，只有照明的功能，需要许多中继系统将杂乱的出射光斑整形成均匀、准直的光斑后调制成像。而micro-led/micro-oled光源是像素化的，出光即可以成像，因此整个投影系统的结构将大大简化，只需要显示芯片、准直结构和投影镜头三部分，体积将大大降低，真正实现微投影。当前micro-led/micro-oled自发光投影系统的合色方案有三种：单片集成、双路合色和三路合色，其中双路合色和三路合色均需要合色棱镜，将大大增加系统体积，而单片集成方案采用蓝色micro-led/micro-oled激发红绿量子点，使得rgb三色同光路出光进行混色，是实现投影系统最小化的最优解，其整体尺寸已经足以应用于便携式数码产品中即将量产的micro-led芯片已经可以达到6000ppi的像素密度，这意味着即使将micro-led/micro-oled发光单元按照一英寸发光面分散排布，其阵列的分辨率也能达到高
清水平，同时保持较大开口率。目前，手机摄像头历经多年发展，传感器像素从30万发展到今天的4800万，图像传感器尺寸由1/10英寸增大到如今的1/1.12英寸，最大的量产手机cmos传感器大小已经接近一英寸，拥有极高的硬件成像素质。越来越大的感光面积与越发紧密的排布间隔给便携式摄像头的硬件素质带来了更多的性能冗余，使之能实现更多样化的结构和功能。由于micro-led/micro-oled的自发光显示像素单元和便携式摄像设备的图像传感器像敏单元在排列方式、单元尺寸及驱动实现上都具有相似的结构特征，可以将其封装在同一叠层结构的有源层中，并在前端设置相匹配的镜头组，与封装叠层贴合，就可实现同一结构上投影和摄像功能的整合使用。同时，结构依赖于自发光显示像素单元和图像传感器像敏单元的小尺寸特点，易于作为功能模组嵌入手机、平板电脑等数码产品中，作为便携式应用场景的一项扩展功能。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种自发光显示与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构，用于实现自发光微投影与图像传感器的模块整合，该结构能够实现投影功能与摄像功能的快速切换，且结构紧凑，设计简单，集成度高，特别适合应用于便携式数码产品中。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自发光显示像素与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构，所述光学结构包括镜头组和自发光显示像素与摄像摄影用图像传感器混合排布层（以下简称“混合排布层”）；所述镜头组采用球面/非球面序列式透镜组，根据具体需求可设计为定焦/变焦形式；所述混合排布层包括薄膜封装层、可作为投影图像源的自发光显示像素阵列、图像传感器像敏阵列、薄膜晶体管（tft）驱动膜层及衬底基板；所述薄膜封装层覆盖着所述自发光显示像素阵列、图像传感器像敏阵列及所述对应的tft驱动膜层，与所述衬底基板贴合；所述自发光显示像素阵列包括但不限于micro-led、micro-oled等自发光显示像素单元组成，由所述tft驱动膜层独立控制点亮，自发光显示像素单元与图像传感器像敏阵列的间隔部分由环氧树脂填充；所述混合排布层中的图像传感器像敏阵列由光敏二极管(pd)组成，由所述tft驱动膜层驱动工作，采用的结构包括但不限于cmos、ccd等感光元件，成像信息由图像补偿算法进行优化处理。
6.进一步地，镜头组调焦包括但不限于整体调焦、变焦调焦等方式。所述tft驱动膜层驱动自发光显示像素阵列或图像传感器像敏阵列工作，可使光学结构在投影显示模式和摄像模式之间进行切换。当所述光学结构处于投影显示模式时，所述混合排布层中的自发光显示像素阵列由下方所述tft驱动膜层的主动驱动矩阵根据图像rgb信息进行选择性点亮，发出的光线经由镜头后聚焦投射在外界屏幕或人眼形成图像，采用变焦镜头时可放大或缩小投影图像；当所述光学结构处于摄像模式时，外界物体的成像聚焦在所述混合排布层的图像传感器像敏阵列上，形成的电信号经所述tft驱动膜层及相应信号电路处理成像。
7.进一步地，所述光学结构总长控制在1mm~10mm以内，兼容于现有含摄像头的数码产品；所述镜头组的镜片主要采用玻璃、塑胶、或晶体材料，镜头组兼容菲涅尔光学面、超表面、折叠光路、活动光学变焦等结构型式。
8.进一步地，所述薄膜封装层采用包括但不限于siox（氧化硅）和sion（氮氧化硅）等材料，其厚度作为光学平板加入到镜头组的设计中；所述衬底基板材料包括但不限于玻璃、单晶硅等材料，其作为所述tft驱动膜层及相应电路的基底。
9.进一步地，在每一颗所述自发光显示像素单元上放置准直微透镜，其作用是收缩光束及让发光单元中心的主光线偏向镜头孔径范围内；所述准直微透镜具有类半球形轮廓，其位置偏差容许在发光单元中心法线上向任意方向偏移20
°
之内，具体偏移量根据发光单元与发光阵列中心法线位置的不同而不同，通过修正每一颗所述自发光显示像素的发散角使得总体光线的出射角度得到准直与收缩，提高投影模式下的光效和均匀度。
10.进一步地，每一颗所述自发光显示像素阵列的像素单元均能发射rgb三色光实现全彩化；所述像素单元可为倒装、正装、垂直结构，其结构的p、n电极分别与下层所述tft薄膜驱动膜层预留的金属触点焊合，每个像素单元均可独立寻址点亮。
11.进一步地，每一颗所述自发光显示像素单元实现全彩化的方式包括但不限于rgb独立芯片和量子点色转换。在rgb独立芯片中，每一颗所述自发光显示像素阵列的像素单元包括三个独立的叠层结构，结构中的发光量子阱层分别发射r、g、b三色光，并在叠层结构侧壁设置黑矩阵防止三色光线的串扰；在量子点色转换结构中，所述自发光显示像素阵列的像素单元的发光层发蓝光，顶部蓝宝石玻璃剥离后添加红色和绿色量子点转换层并预留蓝光通道，像素单元通过不同强度的电流激发不同强度的蓝光，蓝光经过量子点转换层后形成不同比例的rgb三色光，这里在量子点转换层侧壁设置黑矩阵防止三色光线的串扰。
12.进一步地，所述混合排布层上的自发光显示像素单元和图像传感器像敏单元的排布方式可根据使用需求采用子矩阵排布的方式，具体面型可采用包括但不限于间隔交叉排布、九宫格、十字形、圆形等形状；所述子矩阵之间的间距应不超过3-10μm，保持高排布密度；在子矩阵中的像素单元高度不宜过高，防止对像敏单元的大角度感光造成阻挡。
13.进一步地，所述排布方式采用包括但不限于像敏单元密铺，像素单元散铺、像素单元密铺，像敏单元散铺等方式；当采用像敏单元密铺，像素单元散铺时，投影模式的画面分辨率由像素单元数量决定，人眼通常需要至少60ppd的角分辨率，因此像素单元排布密度结合镜头视场角至少应当满足60ppd，在此情况下排布尽可能多的像素单元，达到最大有效感光面积，实现图像传感器硬件素质的最大化；当采用像素单元密铺，像敏单元散铺时，像敏单元需要选用大面积面型，并在边缘与像素单元保持一定间隔，以保证其在有限的感光面积内充分接收光线，得到较好像质。
14.进一步地，采用包括但不限于grayworld色彩均衡算法、基于参考白算法等光照补偿类算法，其核心在于对所述图像传感器上的像敏单元进行光照信息补偿，在所述需要补偿的像敏单元的相邻像敏单元取光照信息，获取其rgb灰度值，取平均值赋值到所述需要补偿的像敏单元上，最终目标像敏单元的光照信息由平均值和初值加权获得。
15.相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的结构功能完整，能够实现所述结构的投影/摄像模式快速切换。投影模式由自发光像素化微显示屏经镜头组直接投影成像；摄像功能由大尺寸图像传感器成像，其结构简单，集成度高，工艺易于实现，特别适合应用于便携式数码产品中。
附图说明
16.图1为本发明实施例的一体化光学结构的垂直剖面图。
17.图2为本发明实施例的一体化光学结构实现投影/摄像功能时的y-z方向光路图。
18.图3为本发明实施例的一体化光学结构中有源部分的叠层拆分示意图。
19.图4为本发明实施例的自发光显示像素单元结构示意图。
20.图5为本发明实施例的混合排布层上子阵列形状示例。
21.图6为本发明实施例的混合排布层上像素单元与像敏单元排布方式实例。
具体实施方式
22.下面结合附图及实施例具体说明本发明提供的一种自发光显示像素与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构。本发明提供优选实施例，只用于本发明做进一步的说明，不应该被认为仅限于在此阐述的实施例，也不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。本专利中，镜头组、自发光微投影显示单元与摄像摄影用像敏单元混合排布叠层等结构，不应该被认为严格规定其参数、几何尺寸。在此，参考图是本发明的理想化实施例的示意图，本发明所示的实施例不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状，而是包括能够实现相同功能的其他形状。在本实施例中的配件，图中的表示是示意性的，但这不应该被认为限制本发明的范围。
23.本发明实施例1中，图1示出了这种用于实现自发光微投影显示、摄像光学模组一体化光学结构的垂直剖面，其中包括了从上往下顺序排列的镜头组1、薄膜封装层2、自发光显示像素与摄像摄影用图像传感器混合排布层3（以下简称“混合排布层”）、tft驱动膜层4以及衬底基板5。其中，镜头组1可由球面/非球面透镜构成，下方与薄膜封装层2粘合，薄膜封装层2的厚度作为镜头组1与混合排布层3的光学平板加入到镜头组1的设计中，并覆盖着混合排布层3和tft驱动膜层4；薄膜封装层2和衬底基板5采用包括但不限于siox（氧化硅）、sion（氮氧化硅）、单晶硅等材料，混合排布层中的单元间隙使用环氧树脂等透明聚合物填充。
24.本发明实施例2中，图2示出了所述一体化光学结构的y-z方向光路。其中，镜头组1在进行投影/摄像模式切换时，可设计成定焦/变焦的调焦形式。定焦调焦通过移动整个镜组实现，不改变焦距，调焦范围主要由自发光像素单元31与图像传感器像敏单元32之间可能存在的高度差决定，其结构相对简单易实现，但自由度较低，无法改变其投影画面和摄像范围的大小；变焦调焦则通过移动变焦镜头中的变焦组实现，镜头结构相对复杂，但可以通过变焦实现投影画面和成像范围的改变，更适合便携使用场景，具体调焦方式可依据使用需求灵活设计，调焦方式包括但不限于以上两种方法。在图2所示的光路中，当光学结构处于投影模式时，镜头组1采用反向设计方法，像高即为混合排布层3中有效区域的半宽，薄膜封装层2作为光学平板调节，混合排布层3中像素单元31发出的光线由反向光路经镜头投射在外界屏幕上；当光学结构处于摄像模式时，外界光线通过镜头组1聚焦在混合排布层3中的图像传感器像敏单元32上，形成的电信号经芯片处理成像；在光学设计时，为了最大化降低杂散光的影响，混合排布层3上的有效区域边缘与层边缘预留0.2~1mm，有源区域的边缘光线恰好不超过薄膜封装层2的边缘；为了使光学结构能嵌入便携式设备中，投影模式的系统总长控制在1mm~10mm 之内，变焦镜头的外变焦偏移量不大于2mm；镜头组1的mtf截止频率按照自发光显示像素单元31和图像传感器像敏单元32两者中较小的像元尺寸进行计算；镜头组1主要采用玻璃、塑胶、或晶体材料，镜组兼容菲涅尔光学面、超表面、折叠光路、活动光学变焦等结构型式。
25.本发明实施例3中，图3示出了一体化光学结构中有源部分的叠层拆分。其中，自发光显示像素单元31可为倒装、正装、垂直结构，三个独立叠层结构的p、n电极置于底部或顶部，与下层tft驱动膜层4的发光单元驱动电路触点41焊合，每个单独的叠层由由薄膜晶体管电路43组成的主动驱动矩阵独立寻址点亮，其中正装与垂直结构需要用飞线与触点进行焊合；图像传感器像敏单元32由光敏二极管(pd)组成，与下方tft驱动膜层4的像敏电源驱动电路触点42焊合，触点与薄膜晶体管电路43连接，电信号经其流向信号放大电路与补偿电路处理成像，再经补偿算法呈现在屏幕上。
26.本发明实施例4中，图4示出了自发光显示像素单元31的结构。自发光显示像素单元31实现全彩化的方式包括但不限于rgb独立芯片和量子点色转换。在rgb独立芯片中，每一颗自发光显示像素单元31包括三个独立的叠层结构，结构中的发光量子阱层分别发射r、g、b三色光，并在叠层结构侧壁设置黑矩阵312防止三色光线的串扰；在量子点色转换结构中，自发光显示像素单元31的发光层311发蓝光，顶部蓝宝石玻璃剥离后添加红色和绿色量子点转换层313并预留蓝光通道；自发光显示像素单元31通过不同强度的电流激发不同强度的蓝光，蓝光经过量子点转换层313后形成不同比例的rgb三色光，这里在量子点转换层313侧壁设置黑矩阵312防止三色光线的串扰；每一颗自发光显示像素单元31上放置准直微透镜314，其作用是收缩光束及让发光单元中心的主光线偏向镜头孔径范围内；准直微透镜314具有类半球形轮廓，其位置偏差容许在发光单元中心法线上向任意方向偏移20
°
之内，具体偏移量根据自发光显示像素单元31与发光阵列中心法线的位置不同而不同，通过修正每一颗自发光显示像素单元31的发散角使得总体光线的出射角度得到准直与收缩，提高投影模式下的光效和均匀度；本发明实施例5中，图5示出了混合排布层3上子阵列形状示例。自发光显示像素单元31和图像传感器像敏单元32的排布方式可根据使用需求采用子矩阵排布的方式，具体面型可采用包括但不限于间隔交叉排布、九宫格、十字架、圆形等形状；所述子矩阵之间的间距不应超过3-10μm，保持高排布密度；在子矩阵中的像素单元高度不宜过高，防止对像敏单元的大角度感光造成阻挡。
27.本发明实施例6中，图6示出了混合排布层3上自发光显示像素单元31与图像传感器像敏单元32排布方式示例。其排布方式采用包括但不限于像敏单元密铺，像素单元散铺、像素单元密铺，像敏单元散铺等方式；当采用像敏单元密铺，像素单元散铺时，投影模式的画面分辨率由像素单元数量决定，人眼通常需要至少60ppd的角分辨率，因此像素单元排布密度结合镜头视场角至少应当满足60ppd，在此情况下排布尽可能多的像素单元，达到最大有效感光面积，实现图像传感器硬件素质的最大化；当采用像素单元密铺，像敏单元散铺时，像敏单元需要选用大面积面型，并在边缘与像素单元保持一定间隔，以保证其在有限的感光面积内充分接收光线，得到较好像质。
28.本发明实施例7中，一种自发光显示像素与图像传感器共层混合排列的一体化光学结构中图像传感器所采用的补偿算法包括但不限于grayworld色彩均衡算法、基于参考白算法等光照补偿类算法，其核心在于对所述图像传感器上的像敏单元进行光照信息补偿，在所述需要补偿的像敏单元的相邻像敏单元取光照信息，获取其rgb灰度值，取平均值赋值到所述需要补偿的像敏单元上，最终目标像敏单元的光照信息由平均值和初值加权获得。
29.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
30.以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。