福州大學科研團隊提出Micro-LED視網(wǎng)膜投影增強現(xiàn)實顯示新架構

    福州大學物理與信息工程學院平板顯示技術國家地方聯(lián)合工程實驗室郭太良和嚴群團隊陳恩果教授課題組在增強現(xiàn)實（AR）近眼顯示技術研究方面取得重要進展。團隊首次實現(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，為近眼顯示器在特殊復雜條件下的實際應用開辟了新途徑，相關成果以“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

    增強現(xiàn)實顯示技術發(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“輻輳調節(jié)沖突（VAC）”限制了用戶體驗。視網(wǎng)膜投影顯示因直接將圖像投射至視網(wǎng)膜的獨特原理，被視為解決VAC問題的重要方向。但傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影顯示結構受限于被動調制器件（如MEMS、LCOS），難以兼顧小型化、高畫質與環(huán)境適應性。

    技術創(chuàng)新點

    創(chuàng)新點一：突破結構限制的μRPD光學架構

    該研究首次提出并實現(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，利用像素級對位的傳像光纖精準傳輸圖像，實現(xiàn)了光電模塊分離與結構柔性化的設計。相比于傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影顯示架構需強準直光源且光學模塊空間位置固定的局限性，μRPD架構通過調控成像光纖數(shù)值孔徑，可精確整形LED發(fā)散光束，實現(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，同時基于光纖自身可彎曲特性，使得整體設計具有更大自由度。該方法顯著提升了系統(tǒng)的成像質量與自由度。

圖1 (a) μRPD 架構的示意圖； (g) 實驗平臺設置；（h-j）40 cm~160 cm單色AR顯示效果

    創(chuàng)新點二：搭建首個全彩μRPD平臺

    彩色顯示是AR終端逼真交互體驗的核心追求，團隊進一步集成紅、綠、藍三原色Micro-LED及X-Cube棱鏡，搭建出首個全彩μRPD系統(tǒng)。結合成像光纖與耦合透鏡，實現(xiàn)了RGB圖像的精準耦合與混合投影，在40~160cm的不同景深下保持圖像清晰，為沉浸式AR體驗奠定了關鍵顯示基礎。

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

    創(chuàng)新點三：復雜環(huán)境應用能力首度驗證

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

    研究團隊利用μRPD架構光電分離的獨特優(yōu)勢，設計了一套無需任何防水處理的水下AR顯示實驗平臺。得益于成像光纖的柔性結構與抗干擾特性，光學部分可直接置于水中，而電子部分則封裝于安全環(huán)境中，通過光纖遠程傳輸圖像。這一設計避免了傳統(tǒng)AR設備在水下需整體密封的復雜性與高成本，實現(xiàn)了水下的清晰投影。同時，進一步提出基于μRPD架構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，通過成像光纖連接前端投影組件，實現(xiàn)輕量化、模塊化設計。未來甚至可以實現(xiàn)光纖組件的可插拔設計，實現(xiàn)AR/普通眼鏡的無縫切換。

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

    總結與展望

    該研究構建的全彩μRPD架構不僅突破了傳統(tǒng)視網(wǎng)膜投影技術在結構剛性、色彩顯示和環(huán)境適應性上的瓶頸，更為可穿戴AR設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、微納結構、AI圖像處理等技術的融合，μRPD有望成為新一代近眼顯示系統(tǒng)的核心支撐平臺，推動AR從消費電子向工業(yè)、醫(yī)療、科研等多場景應用邁進。

    此項工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、福建省科技重大專項、福建省杰出青年科學基金和閩都創(chuàng)新實驗室產(chǎn)學研融合發(fā)展項目的支持。福州大學物理與信息工程學院平板顯示技術國家地方聯(lián)合工程實驗室、福州大學先進制造學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