2024年4月5日发(作者：胥念寒)
第 38 卷 第 7 期
2023 年 7 月
Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays
液晶与显示
Vol.38 No.7
Jul. 2023
文章编号：1007-2780（2023）07-0910-09
超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
黎垚， 江昊男， 周自平， 董金沛， 陈恩果
徐胜
1，2
11111，2*
， 叶芸
1，2
1，2
，
， 孙捷
1，2
， 严群
1，2
， 郭太良
（
1.福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，
福建 福州 350108；
2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）， 福建 福州 350108
）
摘要：随着微米级像素尺寸的微型自发光二极管（Micro-LED，μLED）的出现和发展，采用μLED作为光源和像源的超微
型投影光学引擎成为了可能，其极大简化了传统投影显示光学引擎的结构。本文提出了一种基于μLED的超微型投影光
学引擎，基于现有3.302 mm（0.13 in）的μLED显示芯片设计了高像质的微型投影镜头。针对μLED的光分布特性，优
化μLED发散角度与微投影镜头的光瞳匹配，有效提升了μLED微投影光学系统的光能利用率。结果表明，所设计的
μLED微投影显示光学引擎体积仅有18.35 mm
3
，投影镜头中心视场的MTF值在截止频率处超过0.57。该μLED微投
影显示光学引擎较好地实现了系统体积与成像像质的均衡，未来在AR/VR等近眼显示设备上具有广泛的应用前景。
关键词：Micro-LED；近眼显示；微投影显示；光学设计；系统效率
中图分类号：TN27；TN761 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2022-0216
Optical design of super miniature Micro-LED projection
LI Yao
， JIANG Hao-nan， ZHOU Zi-ping， DONG Jin-pei， CHEN En-guo
1，21，21，21，21，2
YE Yun
， XU Sheng， SUN Jie， YAN Qun， GUO Tai-liang
11111，2*
，
（
al & Local United Engineering Laboratory of Flat Panel Display Technology， College of
Physics and Information Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China；
Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China
（Mindu Innovation Laboratory）， Fuzhou 350108， China
）
Abstract： With the emergence and development of self-luminous micron-pixel-sized Micro-LED （Micro
light-emitting diode， μLED）， using μLED as the light and image source have become possible for ultra-compact
projection optical engines. It greatly simplifies the structure of traditional projection display optical engines. In
收稿日期：2022-11-07；修订日期：2022-12-27.
基金项目：国家重点研发计划（No.2022YFB3603503）；国家自然科学基金（No.62175032）；漳州市科技重大项目
（No.202110051）；闽都创新实验室自主部署项目（No.2020ZZ111）
Supported by National Key Research and Development Program of China（No.2022YFB3603503）； National
Natural Science Foundation of China （No.62175032）； Zhangzhou Key Science and Technology project
（No.202110051）； Fujian Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of
China （No.2020ZZ111）
*通信联系人，E-mail：ceg@
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第 7 期
黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
911
this paper， a μLED-based super miniature projection optical engine is proposed， and a high image quality
pico-projection lens is designed based on 3.302 mm（0.13 in） μLED display chip. The divergence angle of
μLED display chip matched with the pupil of pico-projection lens is optimized according to the light
distribution characteristics of μLED chip， which effectively improves the light efficiency of μLED based
pico-projection optical system. The results show that the volume of the system is only 18.35 mm
3
， and the
MTF value of the center field of view of the projection lens exceeds 0.57 at the cut-off frequency. The μLED
based pico-projection display optical engine achieves a good trade-off between system volume and image
quality， and has a wide application prospect in near-eye display devices such as AR/VR in the future.
Key words： Micro-LED； near-eye display； pico-projection display； optical design； system efficiency
1 引言
宇宙消费市场的主流发展趋势。
目前传统微投影光学系统仍存在结构复杂、
体积较大等缺陷，而采用自发光光源作为投影光
源和像源，其与投影镜头存在光瞳匹配的问题，
需要权衡像质、效率等光学性能和系统体积。针
对这一问题，本文开展了基于μLED的超微型投
影显示光学引擎的设计研究，通过对微投影成像
镜头的优化，实现了微投影系统体积与投影像质
的平衡，并基于μLED的光分布特性，探索了与
微投影镜头光瞳接收角相匹配的μLED显示芯
片的最佳发散角度。该系统可为自发光微型投影
系统的研究与设计提供参考，未来有望应用在搭
载超微型投影光学引擎的近眼显示设备上。
投影显示技术是最早的电子信息显示技术之
一
［1］
。伴随着科学技术的不断发展，基于被动发
光技术的液晶显示（LCD）投影系统、数字光处理
（DLP）投影系统、硅基液晶（LCoS）投影系统应
运而生，广泛应用于各个领域
［2-3］
。随着现代社会
信息化程度的提高和科技的进步，包括投影显示
设备在内的电子设备开始向微型化方向发展，基
于被动发光技术的投影系统结构复杂、体积较
大、效率较低等问题已逐渐凸显。当前自发光技
术逐渐引起广泛关注，尤其是微型有机发光二极
管（Micro-OLED）、微型发光二极管（Micro-LED，
μLED）等技术的快速发展，使投影显示光学引擎
面临着技术革新
［4-5］
。
μLED是一种自发光微显示器件，其核心是高
密度的微小尺寸发光二极管的二维阵列，它具有工
作电压低、发光效率高、响应速率快、工作温度范
围宽、适应恶劣环境能力强等多种优势
［6］
。此外，
μLED的发光亮度很高，每个像素可实现单独驱
动，并且其发光单元尺寸能够控制到微米量级从
而实现高分辨率显示，因其在亮度、寿命、分辨率
和效率等方面的优异特性而成为研究的焦点，被
视为下一代显示技术的基石
［7］
，也成为未来超微型
投影显示光学引擎光源和像源整合的最佳选择。
特别是近年来元宇宙概念的兴起，作为虚拟
世界与现实世界交互的最重要载体，AR/VR眼
镜等近眼显示设备良好的穿戴感受和使用体验
变得尤为重要。作为近眼显示核心之一
［8］
，微投影
光学系统承担着传递图像的功能，其体积和效率
决定着近眼显示设备的品质。具有高效紧凑型
的自发光微型投影系统的近眼显示设备将成为元
2 μLED微投影光学系统架构
2.1 主流微型投影光学系统对比
基于被动发光技术发展的微投影光学系统，
如LCoS微投影光学系统和DLP微投影光学系
统，虽然系统体积上已经达到微型化，但仍有较为
复杂的照明光路和成像光路结构
［9］
，加上采用效
率较低的被动发光源，光能利用率有限。而基于自
发光显示技术开发的微投影光学系统，如Micro-
OLED微投影光学系统和μLED微投影光学系
统，具有更加紧凑的结构。由于Micro-OLED和
μLED的优异特性，自发光微投影光学系统还在
光源亮度和性能功耗上具有巨大优势，与被动发
光微投影系统相比，响应速度更快、效率更高、功
耗更低，更契合超微型投影、近眼显示等设备的
发展方向。
自发光微投影光学系统的开发一直是研究的
热点。如图1所示，早在2009年，香港科技大学
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液晶与显示
第 38 卷
图1 （a）世界上第一台紧凑结构全彩LED微型投影仪样机
［11］
；（b）基于自发光OLED芯片的单色微型投影系统
［12］
；（c）世
界上最小的OLED微显示投影设备
［13］
；（d）μLED全彩微投影光学引擎
［14］
。
Fig.1 （a） The world’s first compact full-color LED pico-projector prototype
［11］
；（ b） Monochrome pico-projection system
based on self-emitting OLED chips
［12］
；（ c） The world’s smallest OLED micro-display projection device
［13］
；（ d） μLED
full color pico-projection optical engine
［14］
.
刘召军团队成功研制了世界上第一台紧凑结构
全彩的三片式LED微型投影仪
［10-11］
，为后来
μLED彩色化方案和显示微型投影显示的发展提
供了创新思路。2010年，德国梅泽堡应用科学大
学的Großmann等人开发出基于自发光OLED芯
片的单色微型投影系统
［12］
，该微投影系统体积小
于10 cm
3
，在结构远小于传统结构的同时还具有
良好的光学特性。2020年，日本索尼（SONY）公
司开发出世界最小的OLED微投影显示模组，该
模组的体积仅有0.66 cm
3
，同时还具有较高的光
学效率
［13］
。2021年，香港JBD公司发布了μLED全
彩微投影光学引擎
［14］
，体积仅为1.35 cm
3
，其入眼
亮度高达1 000 cd/m
2
目前已在近眼显示投影设
备上应用。
虽然Micro-OLED与μLED同属自发光光源，
但由于Micro-OLED在显示亮度上远不及μLED
且OLED器件存在寿命上的劣势
［15］
，使得μLED成
为应用在下一代显示设备上的最有力竞争者
［16］
。
表1显示了主流微投影光学系统的性能对比及实体
结构图
［17］
。
表1 主流微投影系统性能对比及实体结构图
Tab.1 Performance comparison of mainstream pico-projection systems and structure diagram
System Type
Mechanism
Brightness
Form factor
Luminous efficacy
Structure diagram
DLP
Illumination module
Medium
Large
Medium
LCoS
Backlight module
Low
Medium
Low
Micro-OLED
Self-luminous
Medium
Small
Medium
μLED
Self-luminous
High
Small
High
2.2 μLED微投影光学系统参数
图2显示了单片式μLED微投影光学系统的
光路原理图。可以看到其结构大幅简化，系统仅
由单片μLED显示芯片和微投影镜头组成，由
μLED光源发出光束，经微投影镜头投射到屏幕
或者系统下一接收面（如AR的组合器）。
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黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
y=
913
L
3.3 mm
==1.65 mm
.（1）
22
对于微投影光学系统而言，影响系统长度的
因素主要包括镜片数量N、镜头第一面顶点到最
后一面顶点的镜头长度OAL和镜头最后表面到
图2 μLED微投影光学系统原理图
Fig.2 Schematic of the μLED pico-projection optical system
像面的镜头后截距BFL等。考虑到系统体积与
像质的设计目标，镜片数量N应控制在4片以内。
根据几何关系和设计经验
［21］
，镜头长度OAL的
数值大小L
OAL
应满足：
L
OAL
≤1.5 mm
.
本文采用香港JBD公司开发的3.302 mm
(0.13 in) JBD4UM480P型红光μLED微显示器作
为微投影显示系统的光源和像源单元。该μLED
显示芯片的有效发光区域大小为2.64 mm×
2.02 mm，单个像素间距为4 μm，分辨率为640×
480，最高亮度可达400 000 cd/m
2
，发光波长为
625 nm。其具体参数如表2所示。
表2 μLED显示芯片部分参数
Tab.2 Parameters of μLED display panel
Parameters
Display size/mm
Effective display area/mm
Resolution
Pixel pitch/μm
Luminance/（cd·m
-2
）
Wavelength/nm
Specifications
3.302（0.13 in）
2.64×2.02
640×480
4
400 000
625
（2）
（3）
后截距BFL的大小L
BFL
应满足：
L
BFL
≤3.5 mm
.
投影镜头的分辨率必须与μLED发光芯片
的分辨率匹配。设投影镜头的截止频率为p，像
素尺寸为a，有：
p=
1
=121 lp/mm
.
2a
（4）
此外，我们还计算了其他参数和设计指标，
具体镜头设计参数如表3所示。
表3 镜头参数及设计指标
Tab.3 Parameters and design indicators of the lens
Parameters
Number of lenses
Image height/mm
OAL/mm
BFL/mm
MTF
FOV/（°）
Wavelength/nm
Specifications
≤4
1.65
≤1.5
≤3.5
≈0.5@121 lp/mm
20°~30°
625
3 μLED微投影光学系统镜头设计
3.1 投影镜头设计指标
成像镜头的设计是μLED微投影光学系统
的核心，在设计中要保证镜头体积足够小的同时
还具有较好成像质量是非常困难的。一方面，要
设计出与小尺寸μLED显示芯片适配的微型投
影镜头。另一方面，更小尺寸的镜头具有更小的孔
径，这会导致镜头成像质量的下降
［18］
。因此，需要
在镜头的尺寸和镜头的成像质量之间取得平衡。
系统体积和像质的平衡是微投影光学系统的设计
关键
［19］
。本文所设计的微投影光学系统的目标
总体积应不超过20 mm
3
，中心视场的调制传递函
数（MTF）目标值在截止频率处接近0.5。
通常投影镜头采用反向设计方法
［20］
。在本系
统中，像高y的大小由μLED发光芯片对角线长度
L确定：
3.2 投影镜头的设计及评价
利用CODE V光学设计软件设计了由4片
球面玻璃组成的微投影镜头，经优化后最终面型
数据如表4所示。
微投影镜头的光路图如图3所示。该镜头
的数值孔径（NA）为0.14，OAL值和BFL值分
别为1.3 mm和3.15 mm，最终系统总体积约为
18.35 mm
3
。
微投影光学对镜头的光学性能进行了分析，
其中MTF曲线图如图4所示，中心视场的MTF
值在截止频率121 lp/mm处超过0.57。因此，该
微投影光学系统的体积和像质均满足设计指标。
对微投影镜头的像差进行了分析，图5（a）为
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液晶与显示
表4 μLED微投影镜头各表面数据
Tab.4 Each surface data of the μLED pico-projection lens
第 38 卷
Surface
OBJ
1
2
3
4
STO
6
7
8
IMA
Type
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Radius/mm
∞
1.33
-49.00
-4.24
1.34
∞
-142.29
4.89
-2.61
∞
Thickness/mm
∞
0.39
0.12
0.13
0.10
0.19
0.13
0.24
3.10
0.00
Glass
HLAF3_CDGM
Air
HZF6_CDGM
Air
Air
HQK3L_CDGM
HZBAF21_CDGM
Air
Air
Semi-aperture
0.58
0.69
0.69
0.55
0.46
0.69
0.69
0.58
1.65
图3 μLED微投影镜头的光路
Fig.3 Structure of optical path for μLED pico-projection lens
图4 μLED微投影镜头的MTF曲线
Fig.4 MTF curves of the μLED pico-projection lens
微投影镜头的点列图，可以看出各视场下弥散斑
的均方根半径小于2.7 μm，而艾里斑半径尺寸值
为2.51 μm，表明系统具有较小的色差。微投影
光学系统的场曲和畸变曲线如图5（b）所示，可以
看出场曲对该系统的影响较小，而系统的最大视
场畸变大小仅为1.5%，满足实际成像需求。
图5 系统像差图。（a）点列图；（b）场曲畸变曲线。
Fig.5 System aberration diagram.（ a） Point column diagram；（ b） Field curve distortion curve.
4 μLED微投影系统的光源特性
4.1 μLED的光源分布特性
通常μLED显示芯片上子像素可达百万个，
具有非常高的光源亮度，但其每个子像素的光源
近似为朗伯光源，光强在空间呈余弦分布，发散
角以中心轴对称分布。图6（a）、（b）分别显示了
μLED芯片中单个像素在XY平面内的发光示意
图及空间光强和光通量随角度分布关系。可以
看出，当像素发散半角θ
total_half
为45°时，此时的空
间光通量为总光通量的50%；当发散半角为60°
时，空间光通量为总光通量的75%；而若要收集
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黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
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图6 （a）平面内μLED芯片单个像素发光示意图；（b）单个像素光强和光通量随角度分布的关系。
Fig.6 （a） Schematic diagram of the pixel luminescence of a μLED chip；（ b） Relationship between luminous intensity/lumi‑
nous flux of a μLED pixel and angular distribution.
90%的总光通量，像素发散半角应控制在72°左
右。这样的光分布必然会导致μLED显示像素
间存在严重的串扰
［22］
，同时还会因为大量无法利
用的光而降低系统的光能利用率，因此μLED显
示芯片直接应用在投影显示系统中将存在光能
利用率较低的问题
［23］
。
4.2 μLED微投影系统中的光能利用关系
提升μLED微投影光学引擎光能利用率的
关键是如何通过成像镜头收集并有效投射更多
的光能。以朗伯光分布的情况，在考虑微投影光学
系统各部分结构的光学性能损耗后，μLED光源
经过光学系统后能投射到目标面的光能量只有
极少部分
［24］
。
图7显示了微投影系统中光源发散角与镜头
光瞳接收角的能量匹配关系。通常成像镜头的
孔径角θ
capture
由其数值孔径确定，μLED光源出射
角θ
total
内只有部分小角度θ
in
的光源可被镜头收集
并投射，而大部分出射角都在镜头光瞳的接收角
之外，造成光能量的浪费，这也是微投影光学系
统光能利用率较低的主要原因。
通过增大镜头数值孔径和提高光源的亮度
是两种提升投影镜头光能收集能力的方法，但这
些都可能导致更大的系统体积和更多的光能量
损失。更有效的办法是，对μLED光源进行预先
整形处理
［25］
，即对μLED像素的发散角进行缩
束，将更多的光源出射光引导到投影镜头中来提
高μLED显示芯片与微投影成像镜头的光学耦
合效率，从而提高整个系统的光能利用率。而将
μLED光源较大的发散角约束到与微投影镜头光
瞳接收角相匹配的角度范围还需要进一步研究。
本文在微投影镜头的数值孔径固定的情况下，通
过改变μLED显示芯片的发散角度来研究微投
影光学系统中最佳的光源发散角度以达到光源
发散角与微投影镜头光瞳接收角的匹配，实现系
统的高效耦合。
4.3 μLED微投影系统的光源要求
通过研究μLED显示芯片的发散角与微投影
镜头光瞳接收角的匹配关系，可为μLED光源整形
提供有效参考，实现更高光效的微投影光学系统。
图8为固定孔径角θ
capture
=8.05°（NA=0.14）
的投影镜头对μLED光源的不同发散半角的耦
合效率η
coupling
及系统效率η
system
的曲线图。其中耦
合效率η
coupling
定义为μLED光源发散半角为θ
total_half
时，进入镜头的θ
in
角度光线内光通量与发散角内
图7 μLED微投影系统中的光能利用关系
Fig.7 Light energy utilization relationship in μLED pico-
projection system
总光通量的比值：
η
coupling
=
Φ
in
.
Φ
total
（5）
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液晶与显示
系统效率η
system
定义为经微投影镜头投射到
第 38 卷
系统样机，对μLED投影显示原理进行了初步验
证。图9（a）所示的是μLED微显示芯片及其投
影镜头，图9（b）是投影屏幕上显示的“福州大学”
图案，较好地验证了本文工作的可行性，对于样
机的进一步研究工作将在以后的工作中开展。
屏幕或者系统下一接收面上的光通量Φ
screen
与
μLED发出的总光通量Φ
total
之间的比值：
η
system
=
Φ
screen
.
Φ
total
（6）
可以看出，当μLED光源的发散半角θ
total_half
小
于10°时，镜头的耦合效率η
coupling
和系统效率η
system
始终维持在20.5%附近；而当发散半角θ
total_half
增
大到10°之后，投影镜头对光源的耦合效率和系
统效率大幅下降。考虑到微准直系统的准直效
率与系统体积的关系
［26］
，20°（半角为±10°）的
μLED显示芯片光源发散角为此微投影光学系统
的最佳光源角度。
图9 μLED微投影光学系统样机。（a）微投影样机结构；
（b）样机投影图案。
Fig.9 μLED pico-projection optical system device.
（a） Pico-projection device structure； （b） Projec‑
tion pattern of the device.
6 结论
本文针对当前被动式微投影光学引擎结构
复杂、效率不高的缺陷，设计了基于μLED超微
型投影光学系统，该微投影系统的体积仅为
图8 固定孔径角的镜头对不同发散半角的耦合效率和
系统效率曲线
Fig.8 Coupling efficiency and system efficiency curves of
lens with fixed aperture angles for different diver‑
gence half angles
18.35 mm
3
，镜头在截止频率处中心视场的MTF
值超过0.57。根据μLED显示芯片的光强分布
特点，探讨了μLED显示芯片的发散角度与微投
影镜头光瞳接收角的匹配关系，确定20°的μLED
显示芯片光源发散角为所设计微投影光学系统
的最佳光源角度，可实现更高光效的μLED微投
影系统。本文实现的超微型μLED投影显示光
学引擎设计在系统体积与成像像质之间取得了
较好的平衡，未来有望在近眼显示、可穿戴设备
等场景中得以应用。
5 原理验证
在以上设计研究的基础上，基于福州大学自
主开发的蓝光μLED显示屏搭建了微投影光学
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液晶与显示
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作者简介：
黎垚（1996—），男，湖北十堰人，硕士
陈恩果（1984—），男，福建福州人，博士，
教授，2013年于浙江大学获得博士学
位，主要从事新型显示技术方面的研究。
E-mail：ceg@
研究生，2019年于长江大学获得学士学
位，主要从事微投影显示方面的研究。
E-mail：296964850@
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2024年4月5日发(作者：胥念寒)
第 38 卷 第 7 期
2023 年 7 月
Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays
液晶与显示
Vol.38 No.7
Jul. 2023
文章编号：1007-2780（2023）07-0910-09
超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
黎垚， 江昊男， 周自平， 董金沛， 陈恩果
徐胜
1，2
11111，2*
， 叶芸
1，2
1，2
，
， 孙捷
1，2
， 严群
1，2
， 郭太良
（
1.福州大学 物理与信息工程学院 平板显示技术国家地方联合工程实验室，
福建 福州 350108；
2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室（闽都创新实验室）， 福建 福州 350108
）
摘要：随着微米级像素尺寸的微型自发光二极管（Micro-LED，μLED）的出现和发展，采用μLED作为光源和像源的超微
型投影光学引擎成为了可能，其极大简化了传统投影显示光学引擎的结构。本文提出了一种基于μLED的超微型投影光
学引擎，基于现有3.302 mm（0.13 in）的μLED显示芯片设计了高像质的微型投影镜头。针对μLED的光分布特性，优
化μLED发散角度与微投影镜头的光瞳匹配，有效提升了μLED微投影光学系统的光能利用率。结果表明，所设计的
μLED微投影显示光学引擎体积仅有18.35 mm
3
，投影镜头中心视场的MTF值在截止频率处超过0.57。该μLED微投
影显示光学引擎较好地实现了系统体积与成像像质的均衡，未来在AR/VR等近眼显示设备上具有广泛的应用前景。
关键词：Micro-LED；近眼显示；微投影显示；光学设计；系统效率
中图分类号：TN27；TN761 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2022-0216
Optical design of super miniature Micro-LED projection
LI Yao
， JIANG Hao-nan， ZHOU Zi-ping， DONG Jin-pei， CHEN En-guo
1，21，21，21，21，2
YE Yun
， XU Sheng， SUN Jie， YAN Qun， GUO Tai-liang
11111，2*
，
（
al & Local United Engineering Laboratory of Flat Panel Display Technology， College of
Physics and Information Engineering， Fuzhou University， Fuzhou 350108， China；
Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China
（Mindu Innovation Laboratory）， Fuzhou 350108， China
）
Abstract： With the emergence and development of self-luminous micron-pixel-sized Micro-LED （Micro
light-emitting diode， μLED）， using μLED as the light and image source have become possible for ultra-compact
projection optical engines. It greatly simplifies the structure of traditional projection display optical engines. In
收稿日期：2022-11-07；修订日期：2022-12-27.
基金项目：国家重点研发计划（No.2022YFB3603503）；国家自然科学基金（No.62175032）；漳州市科技重大项目
（No.202110051）；闽都创新实验室自主部署项目（No.2020ZZ111）
Supported by National Key Research and Development Program of China（No.2022YFB3603503）； National
Natural Science Foundation of China （No.62175032）； Zhangzhou Key Science and Technology project
（No.202110051）； Fujian Science & Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of
China （No.2020ZZ111）
*通信联系人，E-mail：ceg@
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第 7 期
黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
911
this paper， a μLED-based super miniature projection optical engine is proposed， and a high image quality
pico-projection lens is designed based on 3.302 mm（0.13 in） μLED display chip. The divergence angle of
μLED display chip matched with the pupil of pico-projection lens is optimized according to the light
distribution characteristics of μLED chip， which effectively improves the light efficiency of μLED based
pico-projection optical system. The results show that the volume of the system is only 18.35 mm
3
， and the
MTF value of the center field of view of the projection lens exceeds 0.57 at the cut-off frequency. The μLED
based pico-projection display optical engine achieves a good trade-off between system volume and image
quality， and has a wide application prospect in near-eye display devices such as AR/VR in the future.
Key words： Micro-LED； near-eye display； pico-projection display； optical design； system efficiency
1 引言
宇宙消费市场的主流发展趋势。
目前传统微投影光学系统仍存在结构复杂、
体积较大等缺陷，而采用自发光光源作为投影光
源和像源，其与投影镜头存在光瞳匹配的问题，
需要权衡像质、效率等光学性能和系统体积。针
对这一问题，本文开展了基于μLED的超微型投
影显示光学引擎的设计研究，通过对微投影成像
镜头的优化，实现了微投影系统体积与投影像质
的平衡，并基于μLED的光分布特性，探索了与
微投影镜头光瞳接收角相匹配的μLED显示芯
片的最佳发散角度。该系统可为自发光微型投影
系统的研究与设计提供参考，未来有望应用在搭
载超微型投影光学引擎的近眼显示设备上。
投影显示技术是最早的电子信息显示技术之
一
［1］
。伴随着科学技术的不断发展，基于被动发
光技术的液晶显示（LCD）投影系统、数字光处理
（DLP）投影系统、硅基液晶（LCoS）投影系统应
运而生，广泛应用于各个领域
［2-3］
。随着现代社会
信息化程度的提高和科技的进步，包括投影显示
设备在内的电子设备开始向微型化方向发展，基
于被动发光技术的投影系统结构复杂、体积较
大、效率较低等问题已逐渐凸显。当前自发光技
术逐渐引起广泛关注，尤其是微型有机发光二极
管（Micro-OLED）、微型发光二极管（Micro-LED，
μLED）等技术的快速发展，使投影显示光学引擎
面临着技术革新
［4-5］
。
μLED是一种自发光微显示器件，其核心是高
密度的微小尺寸发光二极管的二维阵列，它具有工
作电压低、发光效率高、响应速率快、工作温度范
围宽、适应恶劣环境能力强等多种优势
［6］
。此外，
μLED的发光亮度很高，每个像素可实现单独驱
动，并且其发光单元尺寸能够控制到微米量级从
而实现高分辨率显示，因其在亮度、寿命、分辨率
和效率等方面的优异特性而成为研究的焦点，被
视为下一代显示技术的基石
［7］
，也成为未来超微型
投影显示光学引擎光源和像源整合的最佳选择。
特别是近年来元宇宙概念的兴起，作为虚拟
世界与现实世界交互的最重要载体，AR/VR眼
镜等近眼显示设备良好的穿戴感受和使用体验
变得尤为重要。作为近眼显示核心之一
［8］
，微投影
光学系统承担着传递图像的功能，其体积和效率
决定着近眼显示设备的品质。具有高效紧凑型
的自发光微型投影系统的近眼显示设备将成为元
2 μLED微投影光学系统架构
2.1 主流微型投影光学系统对比
基于被动发光技术发展的微投影光学系统，
如LCoS微投影光学系统和DLP微投影光学系
统，虽然系统体积上已经达到微型化，但仍有较为
复杂的照明光路和成像光路结构
［9］
，加上采用效
率较低的被动发光源，光能利用率有限。而基于自
发光显示技术开发的微投影光学系统，如Micro-
OLED微投影光学系统和μLED微投影光学系
统，具有更加紧凑的结构。由于Micro-OLED和
μLED的优异特性，自发光微投影光学系统还在
光源亮度和性能功耗上具有巨大优势，与被动发
光微投影系统相比，响应速度更快、效率更高、功
耗更低，更契合超微型投影、近眼显示等设备的
发展方向。
自发光微投影光学系统的开发一直是研究的
热点。如图1所示，早在2009年，香港科技大学
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912
液晶与显示
第 38 卷
图1 （a）世界上第一台紧凑结构全彩LED微型投影仪样机
［11］
；（b）基于自发光OLED芯片的单色微型投影系统
［12］
；（c）世
界上最小的OLED微显示投影设备
［13］
；（d）μLED全彩微投影光学引擎
［14］
。
Fig.1 （a） The world’s first compact full-color LED pico-projector prototype
［11］
；（ b） Monochrome pico-projection system
based on self-emitting OLED chips
［12］
；（ c） The world’s smallest OLED micro-display projection device
［13］
；（ d） μLED
full color pico-projection optical engine
［14］
.
刘召军团队成功研制了世界上第一台紧凑结构
全彩的三片式LED微型投影仪
［10-11］
，为后来
μLED彩色化方案和显示微型投影显示的发展提
供了创新思路。2010年，德国梅泽堡应用科学大
学的Großmann等人开发出基于自发光OLED芯
片的单色微型投影系统
［12］
，该微投影系统体积小
于10 cm
3
，在结构远小于传统结构的同时还具有
良好的光学特性。2020年，日本索尼（SONY）公
司开发出世界最小的OLED微投影显示模组，该
模组的体积仅有0.66 cm
3
，同时还具有较高的光
学效率
［13］
。2021年，香港JBD公司发布了μLED全
彩微投影光学引擎
［14］
，体积仅为1.35 cm
3
，其入眼
亮度高达1 000 cd/m
2
目前已在近眼显示投影设
备上应用。
虽然Micro-OLED与μLED同属自发光光源，
但由于Micro-OLED在显示亮度上远不及μLED
且OLED器件存在寿命上的劣势
［15］
，使得μLED成
为应用在下一代显示设备上的最有力竞争者
［16］
。
表1显示了主流微投影光学系统的性能对比及实体
结构图
［17］
。
表1 主流微投影系统性能对比及实体结构图
Tab.1 Performance comparison of mainstream pico-projection systems and structure diagram
System Type
Mechanism
Brightness
Form factor
Luminous efficacy
Structure diagram
DLP
Illumination module
Medium
Large
Medium
LCoS
Backlight module
Low
Medium
Low
Micro-OLED
Self-luminous
Medium
Small
Medium
μLED
Self-luminous
High
Small
High
2.2 μLED微投影光学系统参数
图2显示了单片式μLED微投影光学系统的
光路原理图。可以看到其结构大幅简化，系统仅
由单片μLED显示芯片和微投影镜头组成，由
μLED光源发出光束，经微投影镜头投射到屏幕
或者系统下一接收面（如AR的组合器）。
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第 7 期
黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
y=
913
L
3.3 mm
==1.65 mm
.（1）
22
对于微投影光学系统而言，影响系统长度的
因素主要包括镜片数量N、镜头第一面顶点到最
后一面顶点的镜头长度OAL和镜头最后表面到
图2 μLED微投影光学系统原理图
Fig.2 Schematic of the μLED pico-projection optical system
像面的镜头后截距BFL等。考虑到系统体积与
像质的设计目标，镜片数量N应控制在4片以内。
根据几何关系和设计经验
［21］
，镜头长度OAL的
数值大小L
OAL
应满足：
L
OAL
≤1.5 mm
.
本文采用香港JBD公司开发的3.302 mm
(0.13 in) JBD4UM480P型红光μLED微显示器作
为微投影显示系统的光源和像源单元。该μLED
显示芯片的有效发光区域大小为2.64 mm×
2.02 mm，单个像素间距为4 μm，分辨率为640×
480，最高亮度可达400 000 cd/m
2
，发光波长为
625 nm。其具体参数如表2所示。
表2 μLED显示芯片部分参数
Tab.2 Parameters of μLED display panel
Parameters
Display size/mm
Effective display area/mm
Resolution
Pixel pitch/μm
Luminance/（cd·m
-2
）
Wavelength/nm
Specifications
3.302（0.13 in）
2.64×2.02
640×480
4
400 000
625
（2）
（3）
后截距BFL的大小L
BFL
应满足：
L
BFL
≤3.5 mm
.
投影镜头的分辨率必须与μLED发光芯片
的分辨率匹配。设投影镜头的截止频率为p，像
素尺寸为a，有：
p=
1
=121 lp/mm
.
2a
（4）
此外，我们还计算了其他参数和设计指标，
具体镜头设计参数如表3所示。
表3 镜头参数及设计指标
Tab.3 Parameters and design indicators of the lens
Parameters
Number of lenses
Image height/mm
OAL/mm
BFL/mm
MTF
FOV/（°）
Wavelength/nm
Specifications
≤4
1.65
≤1.5
≤3.5
≈0.5@121 lp/mm
20°~30°
625
3 μLED微投影光学系统镜头设计
3.1 投影镜头设计指标
成像镜头的设计是μLED微投影光学系统
的核心，在设计中要保证镜头体积足够小的同时
还具有较好成像质量是非常困难的。一方面，要
设计出与小尺寸μLED显示芯片适配的微型投
影镜头。另一方面，更小尺寸的镜头具有更小的孔
径，这会导致镜头成像质量的下降
［18］
。因此，需要
在镜头的尺寸和镜头的成像质量之间取得平衡。
系统体积和像质的平衡是微投影光学系统的设计
关键
［19］
。本文所设计的微投影光学系统的目标
总体积应不超过20 mm
3
，中心视场的调制传递函
数（MTF）目标值在截止频率处接近0.5。
通常投影镜头采用反向设计方法
［20］
。在本系
统中，像高y的大小由μLED发光芯片对角线长度
L确定：
3.2 投影镜头的设计及评价
利用CODE V光学设计软件设计了由4片
球面玻璃组成的微投影镜头，经优化后最终面型
数据如表4所示。
微投影镜头的光路图如图3所示。该镜头
的数值孔径（NA）为0.14，OAL值和BFL值分
别为1.3 mm和3.15 mm，最终系统总体积约为
18.35 mm
3
。
微投影光学对镜头的光学性能进行了分析，
其中MTF曲线图如图4所示，中心视场的MTF
值在截止频率121 lp/mm处超过0.57。因此，该
微投影光学系统的体积和像质均满足设计指标。
对微投影镜头的像差进行了分析，图5（a）为
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914
液晶与显示
表4 μLED微投影镜头各表面数据
Tab.4 Each surface data of the μLED pico-projection lens
第 38 卷
Surface
OBJ
1
2
3
4
STO
6
7
8
IMA
Type
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Standard
Radius/mm
∞
1.33
-49.00
-4.24
1.34
∞
-142.29
4.89
-2.61
∞
Thickness/mm
∞
0.39
0.12
0.13
0.10
0.19
0.13
0.24
3.10
0.00
Glass
HLAF3_CDGM
Air
HZF6_CDGM
Air
Air
HQK3L_CDGM
HZBAF21_CDGM
Air
Air
Semi-aperture
0.58
0.69
0.69
0.55
0.46
0.69
0.69
0.58
1.65
图3 μLED微投影镜头的光路
Fig.3 Structure of optical path for μLED pico-projection lens
图4 μLED微投影镜头的MTF曲线
Fig.4 MTF curves of the μLED pico-projection lens
微投影镜头的点列图，可以看出各视场下弥散斑
的均方根半径小于2.7 μm，而艾里斑半径尺寸值
为2.51 μm，表明系统具有较小的色差。微投影
光学系统的场曲和畸变曲线如图5（b）所示，可以
看出场曲对该系统的影响较小，而系统的最大视
场畸变大小仅为1.5%，满足实际成像需求。
图5 系统像差图。（a）点列图；（b）场曲畸变曲线。
Fig.5 System aberration diagram.（ a） Point column diagram；（ b） Field curve distortion curve.
4 μLED微投影系统的光源特性
4.1 μLED的光源分布特性
通常μLED显示芯片上子像素可达百万个，
具有非常高的光源亮度，但其每个子像素的光源
近似为朗伯光源，光强在空间呈余弦分布，发散
角以中心轴对称分布。图6（a）、（b）分别显示了
μLED芯片中单个像素在XY平面内的发光示意
图及空间光强和光通量随角度分布关系。可以
看出，当像素发散半角θ
total_half
为45°时，此时的空
间光通量为总光通量的50%；当发散半角为60°
时，空间光通量为总光通量的75%；而若要收集
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第 7 期
黎垚，等：超微型Micro-LED投影显示光学引擎设计
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图6 （a）平面内μLED芯片单个像素发光示意图；（b）单个像素光强和光通量随角度分布的关系。
Fig.6 （a） Schematic diagram of the pixel luminescence of a μLED chip；（ b） Relationship between luminous intensity/lumi‑
nous flux of a μLED pixel and angular distribution.
90%的总光通量，像素发散半角应控制在72°左
右。这样的光分布必然会导致μLED显示像素
间存在严重的串扰
［22］
，同时还会因为大量无法利
用的光而降低系统的光能利用率，因此μLED显
示芯片直接应用在投影显示系统中将存在光能
利用率较低的问题
［23］
。
4.2 μLED微投影系统中的光能利用关系
提升μLED微投影光学引擎光能利用率的
关键是如何通过成像镜头收集并有效投射更多
的光能。以朗伯光分布的情况，在考虑微投影光学
系统各部分结构的光学性能损耗后，μLED光源
经过光学系统后能投射到目标面的光能量只有
极少部分
［24］
。
图7显示了微投影系统中光源发散角与镜头
光瞳接收角的能量匹配关系。通常成像镜头的
孔径角θ
capture
由其数值孔径确定，μLED光源出射
角θ
total
内只有部分小角度θ
in
的光源可被镜头收集
并投射，而大部分出射角都在镜头光瞳的接收角
之外，造成光能量的浪费，这也是微投影光学系
统光能利用率较低的主要原因。
通过增大镜头数值孔径和提高光源的亮度
是两种提升投影镜头光能收集能力的方法，但这
些都可能导致更大的系统体积和更多的光能量
损失。更有效的办法是，对μLED光源进行预先
整形处理
［25］
，即对μLED像素的发散角进行缩
束，将更多的光源出射光引导到投影镜头中来提
高μLED显示芯片与微投影成像镜头的光学耦
合效率，从而提高整个系统的光能利用率。而将
μLED光源较大的发散角约束到与微投影镜头光
瞳接收角相匹配的角度范围还需要进一步研究。
本文在微投影镜头的数值孔径固定的情况下，通
过改变μLED显示芯片的发散角度来研究微投
影光学系统中最佳的光源发散角度以达到光源
发散角与微投影镜头光瞳接收角的匹配，实现系
统的高效耦合。
4.3 μLED微投影系统的光源要求
通过研究μLED显示芯片的发散角与微投影
镜头光瞳接收角的匹配关系，可为μLED光源整形
提供有效参考，实现更高光效的微投影光学系统。
图8为固定孔径角θ
capture
=8.05°（NA=0.14）
的投影镜头对μLED光源的不同发散半角的耦
合效率η
coupling
及系统效率η
system
的曲线图。其中耦
合效率η
coupling
定义为μLED光源发散半角为θ
total_half
时，进入镜头的θ
in
角度光线内光通量与发散角内
图7 μLED微投影系统中的光能利用关系
Fig.7 Light energy utilization relationship in μLED pico-
projection system
总光通量的比值：
η
coupling
=
Φ
in
.
Φ
total
（5）
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液晶与显示
系统效率η
system
定义为经微投影镜头投射到
第 38 卷
系统样机，对μLED投影显示原理进行了初步验
证。图9（a）所示的是μLED微显示芯片及其投
影镜头，图9（b）是投影屏幕上显示的“福州大学”
图案，较好地验证了本文工作的可行性，对于样
机的进一步研究工作将在以后的工作中开展。
屏幕或者系统下一接收面上的光通量Φ
screen
与
μLED发出的总光通量Φ
total
之间的比值：
η
system
=
Φ
screen
.
Φ
total
（6）
可以看出，当μLED光源的发散半角θ
total_half
小
于10°时，镜头的耦合效率η
coupling
和系统效率η
system
始终维持在20.5%附近；而当发散半角θ
total_half
增
大到10°之后，投影镜头对光源的耦合效率和系
统效率大幅下降。考虑到微准直系统的准直效
率与系统体积的关系
［26］
，20°（半角为±10°）的
μLED显示芯片光源发散角为此微投影光学系统
的最佳光源角度。
图9 μLED微投影光学系统样机。（a）微投影样机结构；
（b）样机投影图案。
Fig.9 μLED pico-projection optical system device.
（a） Pico-projection device structure； （b） Projec‑
tion pattern of the device.
6 结论
本文针对当前被动式微投影光学引擎结构
复杂、效率不高的缺陷，设计了基于μLED超微
型投影光学系统，该微投影系统的体积仅为
图8 固定孔径角的镜头对不同发散半角的耦合效率和
系统效率曲线
Fig.8 Coupling efficiency and system efficiency curves of
lens with fixed aperture angles for different diver‑
gence half angles
18.35 mm
3
，镜头在截止频率处中心视场的MTF
值超过0.57。根据μLED显示芯片的光强分布
特点，探讨了μLED显示芯片的发散角度与微投
影镜头光瞳接收角的匹配关系，确定20°的μLED
显示芯片光源发散角为所设计微投影光学系统
的最佳光源角度，可实现更高光效的μLED微投
影系统。本文实现的超微型μLED投影显示光
学引擎设计在系统体积与成像像质之间取得了
较好的平衡，未来有望在近眼显示、可穿戴设备
等场景中得以应用。
5 原理验证
在以上设计研究的基础上，基于福州大学自
主开发的蓝光μLED显示屏搭建了微投影光学
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作者简介：
黎垚（1996—），男，湖北十堰人，硕士
陈恩果（1984—），男，福建福州人，博士，
教授，2013年于浙江大学获得博士学
位，主要从事新型显示技术方面的研究。
E-mail：ceg@
研究生，2019年于长江大学获得学士学
位，主要从事微投影显示方面的研究。
E-mail：296964850@
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