福州大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)提出Micro-LED視網(wǎng)膜投影增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示新架構(gòu)

    福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室郭太良和嚴(yán)群團(tuán)隊(duì)陳恩果教授課題組在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）近眼顯示技術(shù)研究方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了基于傳像光纖與Micro-LED集成的視網(wǎng)膜投影顯示（μRPD）架構(gòu)，為近眼顯示器在特殊復(fù)雜條件下的實(shí)際應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑，相關(guān)成果以“Micro‐LED Retinal Projection for Augmented Reality Near‐Eye Displays”為題，以封面論文的形式發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊。 

    研究背景

    增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)發(fā)展迅猛，但其核心組件——近眼顯示模塊依然面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是“輻輳調(diào)節(jié)沖突（VAC）”限制了用戶體驗(yàn)。視網(wǎng)膜投影顯示因直接將圖像投射至視網(wǎng)膜的獨(dú)特原理，被視為解決VAC問(wèn)題的重要方向。但傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影顯示結(jié)構(gòu)受限于被動(dòng)調(diào)制器件（如MEMS、LCOS），難以兼顧小型化、高畫(huà)質(zhì)與環(huán)境適應(yīng)性。

    技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

    創(chuàng)新點(diǎn)一：突破結(jié)構(gòu)限制的μRPD光學(xué)架構(gòu)

    該研究首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于傳像光纖與Micro-LED集成的視網(wǎng)膜投影顯示（μRPD）架構(gòu)，利用像素級(jí)對(duì)位的傳像光纖精準(zhǔn)傳輸圖像，實(shí)現(xiàn)了光電模塊分離與結(jié)構(gòu)柔性化的設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影顯示架構(gòu)需強(qiáng)準(zhǔn)直光源且光學(xué)模塊空間位置固定的局限性，μRPD架構(gòu)通過(guò)調(diào)控成像光纖數(shù)值孔徑，可精確整形LED發(fā)散光束，實(shí)現(xiàn)了等效甚至優(yōu)于傳統(tǒng)光束整形器件的發(fā)光角控制，同時(shí)基于光纖自身可彎曲特性，使得整體設(shè)計(jì)具有更大自由度。該方法顯著提升了系統(tǒng)的成像質(zhì)量與自由度。

圖1 (a) μRPD 架構(gòu)的示意圖； (g) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置；（h-j）40 cm~160 cm單色AR顯示效果

    創(chuàng)新點(diǎn)二：搭建首個(gè)全彩μRPD平臺(tái)

    彩色顯示是AR終端逼真交互體驗(yàn)的核心追求，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步集成紅、綠、藍(lán)三原色Micro-LED及X-Cube棱鏡，搭建出首個(gè)全彩μRPD系統(tǒng)。結(jié)合成像光纖與耦合透鏡，實(shí)現(xiàn)了RGB圖像的精準(zhǔn)耦合與混合投影，在40~160cm的不同景深下保持圖像清晰，為沉浸式AR體驗(yàn)奠定了關(guān)鍵顯示基礎(chǔ)。

圖2（c）全彩μRPD 架構(gòu)的示意圖；（d-f）40 cm~160 cm處全彩AR顯示效果

    創(chuàng)新點(diǎn)三：復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用能力首度驗(yàn)證

    除了架構(gòu)層面的突破與全彩顯示的實(shí)現(xiàn)，該研究還首次系統(tǒng)驗(yàn)證了μRPD架構(gòu)在特殊環(huán)境中的應(yīng)用能力，體現(xiàn)其巨大的實(shí)用潛力與拓展空間。

    研究團(tuán)隊(duì)利用μRPD架構(gòu)光電分離的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一套無(wú)需任何防水處理的水下AR顯示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。得益于成像光纖的柔性結(jié)構(gòu)與抗干擾特性，光學(xué)部分可直接置于水中，而電子部分則封裝于安全環(huán)境中，通過(guò)光纖遠(yuǎn)程傳輸圖像。這一設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)AR設(shè)備在水下需整體密封的復(fù)雜性與高成本，實(shí)現(xiàn)了水下的清晰投影。同時(shí)，進(jìn)一步提出基于μRPD架構(gòu)的智能眼鏡概念模型：圖像源與供電芯片集中放置在眼鏡后端或外部模塊，通過(guò)成像光纖連接前端投影組件，實(shí)現(xiàn)輕量化、模塊化設(shè)計(jì)。未來(lái)甚至可以實(shí)現(xiàn)光纖組件的可插拔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)AR/普通眼鏡的無(wú)縫切換。

圖3（a）μRPD架構(gòu)的水下驗(yàn)證平臺(tái)；（b）全彩水下顯示效果；（c）μRPD架構(gòu)在各類特殊工作環(huán)境下的應(yīng)用前景；（d-e）基于μRPD架構(gòu)的智能眼鏡概念模型 

    總結(jié)與展望

    該研究構(gòu)建的全彩μRPD架構(gòu)不僅突破了傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影技術(shù)在結(jié)構(gòu)剛性、色彩顯示和環(huán)境適應(yīng)性上的瓶頸，更為可穿戴AR設(shè)備提供了一種高靈活性、高集成度的新范式。隨著后續(xù)與超表面光學(xué)、微納結(jié)構(gòu)、AI圖像處理等技術(shù)的融合，μRPD有望成為新一代近眼顯示系統(tǒng)的核心支撐平臺(tái)，推動(dòng)AR從消費(fèi)電子向工業(yè)、醫(yī)療、科研等多場(chǎng)景應(yīng)用邁進(jìn)。

    此項(xiàng)工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、福建省科技重大專項(xiàng)、福建省杰出青年科學(xué)基金和閩都創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)學(xué)研融合發(fā)展項(xiàng)目的支持。福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院平板顯示技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室、福州大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院金華健碩士研究生為本文第一作者，陳恩果教授為本文唯一通訊作者。

    論文鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202402083