技术洞察

从像素发光到图像输出:光机如何收光

鸿石“光电”科普系列,由一个小问题开始,每篇讲清一个原理。

 

MicroLED屏已经能够自己发光,为什么光机里还需要镜头?

 

光路示意图通常用几条带箭头的线表示光的传播。实际的MicroLED像素会同时向多个方向发光,其中往往只有一部分能够被镜头接收,进入后续成像光路。光机的一项重要任务,就是收集像素发出的光,并按照成像要求引导它们输出。

 

 

一个像素的光会向不同方向散开

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从屏幕的出光侧看,一个点亮的MicroLED像素会向一定角度范围内发光。不同方向的光强可能不同,具体分布与芯片及其出光结构有关。可以把它想象成从同一个位置展开的一束光:有的接近正前方,有的偏向两侧。在遇到光学元件之前,这束发散光随着传播距离增加,占据的范围越来越大。像素虽然很小,发散光束在传播中占据的范围仍会增大。镜头的接收范围需要与这些光线到达的位置相匹配。

 

 

镜头怎样把光用起来

修改示意图2.jpg

 

镜头的接收范围是有限的。在一个简化模型中,光源与开口的位置不变,正对光源的通光口径越大,能够接收的角度范围通常越大;口径之外的光,则无法通过这个开口进入后续光路。想象从同一个像素出发的两条光线:一条进入镜头,另一条从镜头边缘之外经过。它们都由像素发出,但后者没有被这组镜头接收,也就不能沿这条光路参与成像。光进入镜头后,传播方向会因折射而改变。


以准直输出为例,通过相应的镜头设计和微显示屏的位置安排,来自同一个像素、被镜头接收的光,可以在输出端形成一束近似平行的光。这就是“准直”的直观含义。不同位置的像素,对应不同的出射方向。例如,画面中央和边缘的像素,经过镜头后形成方向不同的光束。这种像素位置与出射方向的对应关系,保留了画面的空间信息。输出的光还需要满足后续光学系统的接收条件,才能被有效利用。

 

 

收光能力也是小型化的约束

修改示意图3.jpg

如果其他光学条件保持不变,只缩小限制光束通过的有效口径,一部分原本能够通过的光就可能被挡住。缩小光机时,需要同时检查镜头是否仍能接收足够的光。

 

实际设计中,需要把像素的出光分布、镜头接收范围和输出要求放在一起考虑,再据此调整光路,在有限空间内尽量提高光利用率。调整后,还应检查可利用的光量和图像质量是否满足要求。