CN118466097A - 一种实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现全彩Micro‑LED投影显示的合束光学结构，该合束光学结构包括至少一组对应RGB三色的单色Micro‑LED显示面板，单色Micro‑LED光源呈矩阵分布，且每个单色Micro‑LED显示面板均有入耦合全息光栅，所述的入耦合全息光栅也为矩阵分布，对于单色Micro‑LED光源发生的原始光线经过入耦合全息光栅、出耦合全息光栅发生布拉格衍射，合束后发射给镜组，且所述衍射光线包括基于平面波导进行内全反射传播。本发明可分别自由调控Micro‑LED投影光机的红绿蓝三通道光通量，实现高效率红绿蓝三通道的合束功能，同时可有效降低光机体积。
Description
技术领域
本发明涉及投影显示技术领域，具体涉及一种全彩Micro—LED投影显示的合束光学结构，特别是采用全息光栅耦合技术，实现红绿蓝单色Micro-LED显示面板紧凑、高效的合束光学结构。
背景技术
Micro-LED技术，作为一种新兴的显示技术，以其小尺寸、高亮度、低功耗和长寿命等特点，逐渐在AR/VR显示领域展现出广阔的应用前景。在平板显示领域，Micro-LED可用于制造高清晰度、高色彩还原度和对比度的显示屏，如高端电视、电影院的巨幕显示等。此外，Micro-LED的微小尺寸和高亮度也使其适用于AR/VR可穿戴设备、智能手表等便携式设备的显示面板。在照明领域，Micro-LED的高亮度和长寿命使其成为室内外照明、景观照明等的理想选择。
然而，Micro-LED显示面板受到加工工艺的限制，难以实现单面板全彩色显示。为解决Micro-LED光学引擎全彩显示的问题，现有专利CN115016213 A提出采用0°至180°的折叠或弯曲的合色装置，实现红绿蓝单色面板显示画面的合色；专利CN112802403A采用三片Micro-LED显示面板单独显示红、绿蓝三种颜色，然后通过合色棱镜实现彩色化。也有用叠层Micro-LED实现彩色化，但发光效率低。上述技术方案普遍存在价格昂贵、体积大、结构复杂、加工难度高等问题。因此，如何研发出一种高效、紧凑的新型全彩色Micro-LED投影合束光学结构，成为了当前亟待解决的研究方向。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种实现全彩色Micro-LED投影显示的合束光学结构，不仅制备简单，还能同时满足较宽阔的视场角和较大的出瞳范围，从而提高全彩显示质量。
技术方案：一种实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，该合束光学结构为两层结构，包括微显示面板层和全息合束层，微显示面板层包括至少一组对应红、绿、蓝三个的单色Micro-LED显示面板，单色Micro-LED显示面板呈矩阵分布，且每块单色Micro-LED显示面板上方均有对应的入耦合全息光栅；
所述入耦合全息光栅排列方式也为矩阵分布，且构成所述的全息合束层，对于单色Micro-LED显示面板发生的原始光线经过入耦合全息光栅、出耦合全息光栅发生布拉格衍射后发射给镜组，且衍射光线包括基于平面波导进行内全反射传播；
所述的平面波导中出耦合区域采用复合全息光栅，将所有光线合束后，衍射出波导射向投影镜组，最后实现全彩色投影效果；
所述的合束光学结构中，出耦合复合全息光栅具有与入耦合全息光栅数量相同、并与各入耦合光栅镜像对称的子光栅，通过分别调控出耦合全息光栅的子光栅衍射效率，完成合束过程中对于RGB三色光强度的调控，达到RGB三色光的等比例输出，保证投影画面的白平衡。
进一步地，该合束光学结构对于出耦合全息光栅的子光栅衍射效率可按照如下方式实现：
对于所述的合束光学结构，满足如下位置关系：
选取平面波导中任意一点O为原点，以平行于平面波导的面定义为xy面，垂直于波导平面或xy平面的方向定义为z轴，建立直角坐标系XYZ，存在如下关系：
在XY平面内，入耦合光栅的位置关系与光栅条纹角度满足：
f(x,θi)＝yi+tan(θi)(x-xi)
其中，θi为第i个入耦合全息光栅的光栅条纹角，(xi,yi)为第i个入耦合光栅的中心点；
在XZ平面内，入耦合全息光栅均满足布拉格条件：
其中λ为入射光波长，d为光栅周期，为入耦合光栅光栅倾角；
入耦合全息光栅的光栅倾角应满足
在xy平面内，出耦合光栅不同方向的衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行，且在XZ平面内，出耦合全息光栅内部折射率满足如下条件：
其中，在xz平面内，n表示所述出耦合全息光栅内某点(xi，zi)对应的折射率，n0表示出耦合全息光栅的平均折射率，Δni表示第i个出耦合光栅的折射率调制度，εi表示高斯函数，用于实现第i个出耦合光栅的波长选择：
其中，λ表示入射光的波长，εi表示对应第i个出耦合光栅的高斯函数；当接近所选择波长λi时，高斯函数的值接近1，使得折射率调制度接近其最大值；而当远离所选择波长λi时，高斯函数的值迅速减小，从而减弱折射率调制，Ki表示第i个出耦合光栅的光栅矢量，表示第i个出耦合光栅的光栅倾角，坐标(xi,zi)为对应第i个出耦合光栅中的点；
所述入耦合全息光栅折射率满足：
对于单色Micro-LED显示面板，所发射的原始光线经过入耦合全息光栅发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到出耦合光栅；
出耦合光栅将n束不同颜色的单色光进行合束，最终合束完成后的光出射至镜组，由此实现全彩投影显示。
更近一步地，对于全彩显示及RGB三色合束，设红色单色LED光源数量为m1，绿色单色LED光源数量为m2，蓝色单色LED光源数量为m3，为保证三色合束正常，需要满足：
m1η1＝m2η2＝m3η3
m1为红色单色LED光源数量，m2绿色单色LED光源数量m3蓝色单色LED光源数量，η1为红色入耦合光栅的衍射效率，η2为绿色入耦合光栅的衍射效率，η3蓝色为入耦合光栅的衍射效率；
在全息光栅中，衍射效率满足如下条件：
其中，Δn为折射率调制度，d为光栅厚度，λ为入射光波长，为光栅倾角；
为保证三色合束正常，需要满足：
其中，m1为单红色Micro-LED显示面板数量，m2单绿色Micro-LED显示面板数量，m3单蓝色Micro-LED显示面板数量，Δn1为红光折射率调制度；d1为红色入耦合光栅厚度，λ1为红光波长，为对应红光光栅倾角；Δn2为绿光折射率调制度，d2为绿色入耦合光栅厚度，λ2为绿光波长，为对应绿光光栅倾角；Δn3为蓝色折射率调制度，d3为蓝色入耦合光栅厚度，λ3为蓝光波长，为对应蓝光光栅倾角；
出耦合光栅为反射型复合全息光栅，其衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行，由此可得到复合全息光栅的折射率满足如下条件：
结合上式，所述的合束光学结构通过分别调控子光栅的折射率调制度实现合束过程中对于RGB三色光强度的调控，实现RGB三色光的等比例输出。
进一步地，若干个单色Micro-LED显示面板和其对应的入耦合全息光栅成矩阵排列，每块单色Micro-LED显示面板和其对应的入耦合光栅前后相对，且每一个入耦合全息光栅都有与其平行排布的出耦合全息光栅相对。
进一步地，若干个入耦合全息光栅按照平行关系传输一个中心耦合全息光栅，进而由中心出耦合全息光栅完成至投影光学镜组的传输。
更进一步地，所述的入耦合光栅或出耦合光栅均可以选择为反射型全息光栅、透射型全息光栅、偏振型全息光栅或HPDLC电控全息光栅。
进一步地，所述的光学结构中，单色Micro-LED光源平行传输至对应入耦合全息光栅，然后由入耦合全息光栅发生第一次布拉格衍射，进而通过平面波导传输至出耦合光栅，出耦合光栅发生第二次布拉格衍射传输至镜组。
更进一步地，入耦合全息光栅、出耦合光栅包括采用反射型或透射型全息衍射光栅。
进一步地，所述平面波导还可以替换为曲面波导，波导材质可为光学玻璃或光学树脂，折射率为1.52～2.0。
更进一步地，所述光学结构中，不同单色Micro-LED显示面板对应入耦合体全息光栅均满足布拉格衍射条件，且对应的倾角和光栅周期不完全相同。
有益效果：有益效果：相比于现有技术，本发明所提供的合束光学结构为两层结构，包括微显示面板层、全息合束层，具备轻薄、紧凑的特点。微显示面板层中阵列排布的RGB单色Micro-LED显示面板发出成像光线，分别入射至全息合束层中与之位置对应的入耦合光栅，由其衍射进入波导全反射传播，最终由全息合束层出耦合区域中的复合全息光栅衍射出波导，实现RGB合束功能。全息合束层可单独控制各个入耦合光栅及复合全息光栅的衍射效率，可有效调控Micro-LED投影显示画面RGB三通道的亮度比例，保证显示画面的白平衡。基于本发明提供的技术方案，还可通过拼接全息光栅衍射带宽，优化出耦合区域全息光栅尺寸及区域衍射效率的方式，进一步解决传统投影显示光学系统无法同时实现大出瞳、大视角的技术难点。
附图说明
图1本发明所述合束光学结构总体示意图；
图2全彩色Micro-LED合束光路示意图；
图3基于反射式全息光栅的全彩色Micro-LED投影显示的合束光学结构侧视图；
图4基于透射式全息光栅的全彩色Micro-LED投影显示的合束光学结构侧视图；
图5红绿蓝单色Micro-LED显示面板的矩阵排列俯视图；
图6采用电控滤光片的全彩色Micro-LED投影合束光学结构图；
图7采用HPDLC电控全息光栅的全彩色Micro-LED投影合束光学结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本发明权利要求所限定的范围。
实施例1
结合图1，图1为一种采用全息波导衍射光栅技术实现全彩色Micro-LED大出瞳大视角投影显示的合束光学结构的简图，简单来说，主要包括平面光源100(矩阵分布的单色Micro-LED显示面板)，入射端全息光栅200(矩阵分布入耦合全息光栅)，平板波导300，出射端全息光栅400(矩阵分布的出耦合全息光栅)和投影镜组500。
图2为本发明所述合束光学结构的其中一种实现方式，该合束光学结构包括第一单色Micro-LED显示面板1，第二单色Micro-LED显示面板2，第三单色Micro-LED显示面板3，第四单色Micro-LED显示面板4，第五单色Micro-LED显示面板5，第六单色Micro-LED显示面板6，第七单色Micro-LED显示面板7，第八单色Micro-LED显示面板8，光线平行传输至第一入耦合全息光栅9，第二入耦合全息光栅10，第三入耦合全息光栅11，第四入耦合全息光栅12，第五入耦合全息光栅13，第六入耦合全息光栅14，第七入耦合全息光栅15，第八入耦合全息光栅16，设置出耦合光栅17和投影镜组18，通过投影镜组18上完成全彩投影显示。
如图3所示，入耦合全息光栅、出耦合光栅为反射型全息衍射光栅，第一单色Micro-LED显示面板1用于对第一入耦合全息光栅9发射原始光线；第二单色Micro-LED显示面板2用于对第二入耦合全息光栅10发射原始光线；第三单色Micro-LED显示面板3用于对第三入耦合全息光栅11发射原始光线；第四单色Micro-LED显示面板4用于对第四入耦合全息光栅12发射原始光线；第五单色Micro-LED显示面板5用于对第五入耦合全息光栅13发射原始光线；第六单色Micro-LED显示面板6用于对第六入耦合全息光栅14发射原始光线；第七单色Micro-LED显示面板7用于对第七入耦合全息光栅15发射原始光线；第八单色Micro-LED显示面板8用于对第八入耦合全息光栅16发射原始光线；第一入耦合全息光栅9用于将第一单色Micro-LED显示面板1发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第二入耦合全息光栅10用于将第二单色Micro-LED显示面板2发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第三入耦合全息光栅11用于将第三单色Micro-LED光源3发射的原始光线经过布拉格衍射后经平板波导全反射传播至出耦合光栅17。第四入耦合全息光栅12用于将第四单色Micro-LED光源4发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第五入耦合全息光栅13用于将第五单色Micro-LED显示面板5发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第六入耦合全息光栅14用于将第六单色Micro-LED显示面板6发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第七入耦合全息光栅15用于将第七单色Micro-LED显示面板7发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。第八入耦合全息光栅16用于将第八单色Micro-LED显示面板8发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。
对于入耦合全息光栅和出耦合全息光栅采用透射型全息衍射光栅，其Micro-LED显示面板、入耦合全息光栅及原始光线经平板波导全反射传播至出耦合全息光栅的原理如图4所示。
如图5-7所示，单色Micro-LED显示面板对应设置为如下RGB三色，例如：
第一单色Micro-LED显示面板1对应红色入耦合全息光栅；
第二单色Micro-LED显示面板2对应绿色入耦合全息光栅；
第三单色Micro-LED显示面板3对应蓝色入耦合全息光栅；
第四单色Micro-LED显示面板4对应蓝色入耦合全息光栅；
第五单色Micro-LED显示面板5对应绿色入耦合全息光栅；
第六单色Micro-LED显示面板6对应红色入耦合全息光栅；
第七单色Micro-LED显示面板7对应绿色入耦合全息光栅；
上述对应结构下，单色Micro-LED显示面板平行对应入耦合全息光栅，然后经过不同角度将经过第一次布拉格衍射的单色光合束至出耦合光栅处。且上述的入耦合全息光栅均有对应设置有与之平行的出耦合光栅。对应的8个出耦合光栅经过第二次布拉格衍射后发射给镜组。
对应的是，入耦合全息光栅均满足布拉格条件，且其对应的倾角和光栅周期互不相同。也就是说上述8组入耦合全息光栅可用布拉格条件λ＝2nΛcosθ表示，其中，θ是布拉格衍射角，为光栅矢量和入射光之间的夹角，n是反射型全息光栅的折射率，Λ是全息光栅的光栅周期，λ是入射光在真空中的波长。理论上，当满足布拉格条件时衍射效率最高。
在此说明的是，反射型全息光栅入射光波长λ的随布拉格衍射角θ变化的关系式为：
δλ/δθ＝-2nΛsinθ
其中，δλ为布拉格波长偏移量，其与入射光的角度有关，δθ为布拉格衍射角(入射光束和光栅矢量的夹角)变化量。由上式可以得出，要使δλ/δθ最小(衍射光的波长偏移量尽可能小)，光栅矢量和入射光之间的夹角θ应尽量接近于0。
在全息光栅波导结构中，反射全息光栅的平均折射率n0为1.52；在二维空间坐标系中，入射端光栅包括第一入耦合全息光栅9，第二入耦合全息光栅10，第三入耦合全息光栅11，第四入耦合全息光栅12，第五入耦合全息光栅13，第六入耦合全息光栅14，第七入耦合全息光栅15，第八入耦合全息光栅16均为反射型全息光栅，且均满足布拉格条件，它们的折射率分别满足：
其中，n1～n8分别表示对应入耦合全息光栅9至入耦合全息光栅16的折射率，n0表示反射型全息光栅的平均折射率，Δn1～Δn7分别表示第一至第八入耦合光栅的折射率调制度ε2是一个高斯函数，用于实现波长选择性，对应的存在：
K1～K7分别表示第一至第八入耦合全息光栅的光栅矢量，分别表示第一至第八入耦合全息光栅的光栅倾角；(x1,z1)至(x8,z8)分别是第一至第八入耦合光栅中心坐标；出耦合光栅为反射型复合全息光栅，分别有八种不同方向的衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行，它们的折射率满足如下条件：
其中，n1表示第一出耦合全息光栅的折射率，n2表示第二出耦合全息光栅的折射率，n3表示第三出耦合全息光栅的折射率，n4表示第四出耦合全息光栅的折射率，n5表示第五出耦合全息光栅的折射率，n6表示第六出耦合全息光栅的折射率，n7表示第七出耦合全息光栅的折射率，n8表示第八出耦合全息光栅，n0表示反射型全息光栅的平均折射率，Δn1表示第一出耦合光栅的折射率调制度，Δn2表示第二出耦合光栅的折射率调制度，Δn3表示第三出耦合光栅的折射率调制度,Δn4表示第四出耦合光栅的折射率调制度，Δn5表示第五出耦合光栅的折射率调制度，Δn6表示第六出耦合光栅的折射率调制度，Δn7表示第七出耦合光栅的折射率调制度，Δn8表示第八出耦合光栅的折射率调制度，εi是一个高斯函数，用于实现波长选择性：
Ki表示第i个出耦合光栅矢量，表示第i个出耦合光栅的倾角。K1表示第一出耦合全息光栅的光栅矢量，K2表示第二出耦合全息光栅的光栅矢量，K3表示第三出耦合全息光栅的光栅矢量，K4表示第四出耦合全息光栅的光栅矢量，K5表示第五出耦合全息光栅的光栅矢量，K6表示第六出耦合全息光栅的光栅矢量，K7表示第七出耦合全息光栅的光栅矢量，K8表示第八出耦合全息光栅的光栅矢量，表示第一出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第二出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第三出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第四出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第五出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第六出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第七出耦合全息光栅的光栅倾角，表示第八出耦合全息光栅的光栅倾角；(x1,z1)为第一出耦合光栅中心点坐标，(x2，z2)为第二出耦合光栅中心点坐标，(x3,z3)为第三出耦合光栅中心点坐标，(x4,z4)为第四出耦合光栅中心点坐标，(x5,z5)为第五出耦合光栅中心点坐标，(x6,z6)为第六出耦合光栅中心点坐标，(x7,z7)为第七出耦合光栅中心点坐标，(x8,z8)为第八出耦合光栅中心点坐标；
进一步地结合图2，其光路为：
单绿色Micro-LED显示面板1所发射的原始光线经过绿色入耦合全息光栅9发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；单红色Micro-LED显示面板2所发射的原始光线经过红色入耦合全息光栅10发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；单绿色Micro-LED显示面板3所发射的原始光线经过绿色入耦合全息光栅11发生布拉格衍射，经过平板波导全反射传播到中心出耦合光栅；单蓝色Micro-LED显示面板4所发射的原始光线经过蓝色入耦合全息光栅12发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；单蓝色Micro-LED光源5所发射的原始光线经过蓝色入耦合全息光栅13发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；单绿色Micro-LED显示面板6所发射的原始光线经过绿色入耦合全息光栅14发生布拉格衍射，经过平板波导全反射传播到中心出耦合光栅；单红色Micro-LED显示面板7所发射的原始光线经过红色入耦合全息光栅15发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；单绿色Micro-LED显示面板8所发射的原始光线经过绿色入耦合全息光栅16发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；中心出耦合光栅将八束红绿蓝单色Micro-LED发射的光线进行合束，将合束光衍射至投影镜组。
实施例2
对于全彩色Micro-LED投影显示的合束光学结构如图2所示，进一步的是结合如图4所示，本实施例2中出耦合光栅为衍射型全息衍射光栅，且单色Micro-LED显示面板也是与入耦合全息光栅对应，单色Micro-LED发射原始光线，例如第二单色Micro-LED显示面板2用于对第二入耦合全息光栅10发射原始光线。第二入耦合全息光栅10用于将第二单色Micro-LED显示面板2发射的原始光线经过布拉格衍射后经平面波导全反射传播至出耦合光栅17。更进一步地结合如图5所示，入耦合全息光栅经过不同角度将经过第一次布拉格衍射的单色光合束至出耦合光栅处。如实施例1中对应的RGB三色显示面板，对应的入耦合全息光栅成矩阵排布，且出耦合光栅均有与之平行的出耦合光栅。出耦合全息光栅发射的光束经过第二次布拉格衍射后发射给镜组。
入耦合全息光栅可用布拉格条件λ＝2nΛcosθ表示，其中，θ是布拉格衍射角，布拉格衍射角θ是光栅矢量和入射光之间的夹角，n是反射型全息光栅的折射率，Λ是全息光栅的光栅周期,λ是入射光在真空中的波长。理论上，当满足布拉格条件时衍射效率最高。
反射型全息光栅入射光波长λ的随布拉格衍射角θ变化的关系式为：
δλ/δθ＝-2nΛsinθ
其中，δλ为布拉格波长偏移量，其与入射光的角度有关，δθ为布拉格衍射角(入射光束和光栅矢量的夹角)变化量。
由上式可以得出，要使δλ/δθ最小(衍射光的波长偏移量尽可能小)，光栅矢量和入射光之间的夹角θ应尽量接近于0。
如图5所示，在二维空间坐标系中，第一入耦合全息光栅1，第二入耦合全息光栅2，第三入耦合全息光栅3，第四入耦合全息光栅4，第五入耦合全息光栅5，第六入耦合全息光栅6，第七入耦合全息光栅7，第八入耦合全息光栅8均为衍射型全息光栅。出耦合光栅为衍射型复合全息光栅9，有不同方向的衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行。单色Micro-LED显示面板所发射的原始光线经过对应的入耦合全息光栅发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到中心出耦合光栅；中心出耦合光栅将八束不同颜色的单色Micro-LED单色光进行合束，最终合束完成后的光出射至镜组。
本发明在实现合束过程中，发现以下方法可以实现RGB三色光的精准控制，以实现全彩色Micro-LED更好的显示效果。
实施例3
如图6所示，该实现方法包括第一电控滤光片101，第二电控滤光片201，第三电控滤光片301，第四电控滤光片401，第五电控滤光片501，第六电控滤光片601，第七电控滤光片701，第八电控滤光片801，作用如下：
第一电控滤光片101用于控制第一单色Micro-LED显示面板1的光线强度；
第二电控滤光片201用于控制第二单色Micro-LED显示面板2的光线强度；
第三电控滤光片301用于控制第三单色Micro-LED显示面板3的光线强度；
第四电控滤光片401用于控制第四单色Micro-LED显示面板4的光线强度；
第五电控滤光片501用于控制第五单色Micro-LED显示面板5的光线强度；
第六电控滤光片601用于控制第六单色Micro-LED显示面板6的光线强度；
第七电控滤光片701用于控制第七单色Micro-LED显示面板7的光线强度；
第八电控滤光片801用于控制第八单色Micro-LED显示面板8的光线强度。
如图7所示，该实现方法包括第一HPDLC电控全息光栅102，第二HPDLC电控全息光栅202，第三HPDLC电控全息光栅302，第四HPDLC电控全息光栅402，第五HPDLC电控全息光栅502，第六HPDLC电控全息光栅602，第七HPDLC电控全息光栅702，第八HPDLC电控全息光栅802。
HPDLC电控全息光栅用于控制对应单色Micro-LED显示面板的光线强度。
为实现合束光的显示白平衡，要实现RGB三色光的等比例输出，即R:G:B为1:1:1，分别调控子光栅的折射率调制度可以实现对每个全息光栅效率的精准控制，进一步可以控制每个Micro-LED光源的光线强度，实现在光线出射时保证RGB三色光等比例输出，以实现更好的显示效果。
最后需要说明的是，相对于现有技术，如背景技术所记载的内容，传统的Micro-LED投影合束结构只能用三片面板，传统Micro-LED微投影光机一般采用X-cube合色棱镜，将红绿蓝单色Micro-LED微显示面板发出的光合束，输出彩色显示画面；因合色棱镜采用的是半反半透膜，会损失一板光能量；此外，RGB面板需贴合在棱镜相邻三个面，并且棱镜具有一定的体积和厚度，无法进一步缩小光机体积。而本发明所提供的合束光学结构是将任意数量的Micro-LED显示面板按照设计放置于同一平面，通过全息光栅将各个位置的面板光线导入到波导，通过波导传播到出耦合光栅区域，由出耦合复合全息光栅将各个方向的光全部沿着垂直于波导的方向衍射出波导，实现RGB合束功能。与传统合色棱镜方案不同，本发明可完成任意数量(n个面板)的单色Micro-LED显示面板的合束，这样可大大提升Micro-LED微投影光机的亮度，并且由于全息光栅衍射效率超过90％，光栅厚度为微米级别，波导厚度仅为0.5-2mm，该合束结构具备轻薄、光效高等优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，该合束光学结构为两层结构，包括微显示面板层和全息合束层，微显示面板层包括至少一组对应红、绿、蓝三个的单色Micro-LED显示面板，单色Micro-LED显示面板呈矩阵分布，且每块单色Micro-LED显示面板上方均有对应的入耦合全息光栅；
所述入耦合全息光栅排列方式也为矩阵分布，且构成所述的全息合束层，对于单色Micro-LED显示面板发生的原始光线经过入耦合全息光栅、出耦合全息光栅发生布拉格衍射后发射给镜组，且衍射光线包括基于平面波导进行内全反射传播；
所述的平面波导中出耦合区域采用复合全息光栅，将所有光线合束后，衍射出波导射向投影镜组，最后实现全彩色投影效果；
所述的合束光学结构中，出耦合复合全息光栅具有与入耦合全息光栅数量相同、并与各入耦合光栅镜像对称的子光栅，通过分别调控出耦合全息光栅的子光栅衍射效率，完成合束过程中对于RGB三色光强度的调控，达到RGB三色光的等比例输出，保证投影画面的白平衡。
2.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，该合束光学结构对于出耦合全息光栅的子光栅衍射效率可按照如下方式实现：
对于所述的合束光学结构，满足如下位置关系：
选取平面波导中任意一点O为原点，以平行于平面波导的面定义为xy面，垂直于波导平面或xy平面的方向定义为z轴，建立直角坐标系XYZ，存在如下关系：
在XY平面内，入耦合光栅的位置关系与光栅条纹角度满足：
f(x,θi)＝yi+tan(θi)(x-xi)
其中，θi为第i个入耦合全息光栅的光栅条纹角，(xi,yi)为第i个入耦合光栅的中心点；
在XZ平面内，入耦合全息光栅均满足布拉格条件：
其中λ为入射光波长，d为光栅周期，为入耦合光栅光栅倾角；
入耦合全息光栅的光栅倾角应满足
在xy平面内，出耦合光栅不同方向的衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行，且在XZ平面内，出耦合全息光栅内部折射率满足如下条件：
其中，在xz平面内，n表示所述出耦合全息光栅内某点(xi，zi)对应的折射率，n0表示出耦合全息光栅的平均折射率，Δni表示第i个出耦合光栅的折射率调制度，εi表示高斯函数，用于实现第i个出耦合光栅的波长选择：
其中，λ表示入射光的波长，εi表示对应第i个出耦合光栅的高斯函数；当接近所选择波长λi时，高斯函数的值接近1，使得折射率调制度接近其最大值；而当远离所选择波长λi时，高斯函数的值迅速减小，从而减弱折射率调制，Ki表示第i个出耦合光栅的光栅矢量，表示第i个出耦合光栅的光栅倾角，坐标(xi,zi)为对应第i个出耦合光栅中的点；
所述入耦合全息光栅折射率满足：
对于单色Micro-LED显示面板，所发射的原始光线经过入耦合全息光栅发生布拉格衍射，经过平面波导全反射传播到出耦合光栅；
出耦合光栅将n束不同颜色的单色光进行合束，最终合束完成后的光出射至镜组，由此实现全彩投影显示。
3.根据权利要求2所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，对于全彩显示及RGB三色合束，设红色单色LED光源数量为m1，绿色单色LED光源数量为m2，蓝色单色LED光源数量为m3，为保证三色合束正常，需要满足：
m1η1＝m2η2＝m3η3
m1为红色单色LED光源数量，m2绿色单色LED光源数量m3蓝色单色LED光源数量，η1为红色入耦合光栅的衍射效率，η2为绿色入耦合光栅的衍射效率，η3蓝色为入耦合光栅的衍射效率；
在全息光栅中，衍射效率满足如下条件：
其中，Δn为折射率调制度，d为光栅厚度，λ为入射光波长，为光栅倾角；
为保证三色合束正常，需要满足：
其中，m1为单红色Micro-LED显示面板数量，m2单绿色Micro-LED显示面板数量，m3单蓝色Micro-LED显示面板数量，Δn1为红光折射率调制度；d1为红色入耦合光栅厚度，λ1为红光波长，为对应红光光栅倾角；Δn2为绿光折射率调制度，d2为绿色入耦合光栅厚度，λ2为绿光波长，为对应绿光光栅倾角；Δn3为蓝色折射率调制度，d3为蓝色入耦合光栅厚度，λ3为蓝光波长，为对应蓝光光栅倾角；
出耦合光栅为反射型复合全息光栅，其衍射光栅纹路与对应入耦合光栅镜像平行，由此可得到复合全息光栅的折射率满足如下条件：
结合上式，所述的合束光学结构通过分别调控子光栅的折射率调制度实现合束过程中对于RGB三色光强度的调控，实现RGB三色光的等比例输出。
4.根据权利要求3所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，若干个单色Micro-LED显示面板和其对应的入耦合全息光栅成矩阵排列，每块单色Micro-LED显示面板和其对应的入耦合光栅前后相对，且每一个入耦合全息光栅都有与其平行排布的出耦合全息光栅相对。
5.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，若干个入耦合全息光栅按照平行关系传输一个中心耦合全息光栅，进而由中心出耦合全息光栅完成至投影光学镜组的传输。
6.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，所述的入耦合光栅或出耦合光栅均可以选择为反射型全息光栅、透射型全息光栅、偏振型全息光栅或HPDLC电控全息光栅。
7.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，所述的光学结构中，单色Micro-LED光源平行传输至对应入耦合全息光栅，然后由入耦合全息光栅发生第一次布拉格衍射，进而通过平面波导传输至出耦合光栅，出耦合光栅发生第二次布拉格衍射传输至镜组。
8.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，入耦合全息光栅、出耦合光栅包括采用反射型或透射型全息衍射光栅。
9.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，所述平面波导还可以替换为曲面波导，波导材质可为光学玻璃或光学树脂，折射率为1.52～2.0。
10.根据权利要求1所述的实现全彩Micro-LED投影显示的合束光学结构，其特征在于，所述光学结构中，不同单色Micro-LED显示面板对应入耦合体全息光栅均满足布拉格衍射条件，且对应的倾角和光栅周期不完全相同。
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