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Abstract
College of Optics and Photonics, University of Central Florida, Orlando, FL 32816, USA
The emission wavelength of InGaN/GaN dot-in-wire LED can be tuned by modifying the nanowire diameter, but it causes mismatched angular distributions between blue, green, and red nanowires because of the excitation of different waveguide modes. Besides, the far-field radiation patterns and light extraction efficiency are typically calculated by center dipoles, which fails to provide accurate results. To address these issues, we first compare the simulation results between central dipole and dipole cloud with experimental data. Next, we calculate and analyze the display metrics for full-color nanowire LEDs by 3D dipole cloud. Finally, we achieve unnoticeable angular color shift within ±20° viewing cone for augmented reality (AR) and virtual reality (VR) displays with an improved light extraction efficiency.The emission wavelength of InGaN/GaN dot-in-wire LED can be tuned by modifying the nanowire diameter, but it causes mismatched angular distributions between blue, green, and red nanowires because of the excitation of different waveguide modes. Besides, the far-field radiation patterns and light extraction efficiency are typically calculated by center dipoles, which fails to provide accurate results. To address these issues, we first compare the simulation results between central dipole and dipole cloud with experimental data. Next, we calculate and analyze the display metrics for full-color nanowire LEDs by 3D dipole cloud. Finally, we achieve unnoticeable angular color shift within ±20° viewing cone for augmented reality (AR) and virtual reality (VR) displays with an improved light extraction efficiency.
nanowire LED microdisplay AR/VR light engines angular color shift Opto-Electronic Science
2022, 1(12): 220021
1 东南大学信息显示与可视化国际合作联合实验室,江苏 南京 210096
2 南京芯视元电子有限公司,江苏 南京 210032
增强现实技术是元宇宙重要的人机交互平台,其中光学成像部件和微显示屏是成像质量的关键。目前有5种微显示器件:硅基液晶、硅基OLED、硅基micro LED、digital light processing(DLP)、激光扫描振镜。将着重介绍不同微显示屏的组成结构、工艺流程、硅基驱动方式、发展现状及面临的挑战。在硅基驱动部分,将从像素驱动的不同电路和不同驱动电路的优缺点入手,分析不同显示技术在硅基部分的设计和指标挑战。对目前不同技术所能达到的指标进行汇总比较。讨论硅基背板的设计关注点和发展趋势。最后,对不同微显示芯片的应用场景和发展进行讨论。
微显示 硅基液晶 硅基OLED 硅基micro LED 激光与光电子学进展
2022, 59(20): 2011006
1 上海大学微电子研究与开发中心, 上海 200072
2 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072
为了研究硅基OLED(Organic Light Emitting Diodes)微显示器的使用寿命,通过老化实验提出一种基于恢复模型的OLED亮度衰减模型,该亮度衰减模型融合传统延伸型指数衰减模型与OLED亮度恢复模型。使用亮度退化数据拟合衰减模型中的待定参数,得到初始亮度和占空比与OLED寿命之间的定性和定量关系,实现OLED的高精度亮度衰减预测。研究结果表明,对比所提模型的预测数据与实测亮度衰减数据可得,所提模型的预测误差小,拟合精度高达99.22%,相同初始亮度驱动下OLED的寿命预测准确度可提高79.1%。PWM(Pulse-Width Modulation)驱动下硅基OLED微显示器的寿命性能较传统电流/电压驱动型优越,在12.5%~87.5%的占空比下,可延长1.6~20.9倍的硅基OLED微显示器寿命。
光学器件 硅基OLED微显示器 亮度衰减模型 寿命预测 老化 占空比 光学学报
2021, 41(19): 1923003
上海大学 微电子研究与开发中心, 上海 200444
为提升用户体验, 近眼显示设备应轻量化且具备高分辨率和高刷新率, 传统视频压缩方案难以满足需求。针对这一问题, 本文将运动估计应用于位平面压缩, 将恰可察失真映射至位平面以指导运动估计的匹配准则。同时, 从虚拟现实领域中数字驱动微显示器的应用场景出发, 使运动估计的搜索范围根据刷新率自适应。最后, 结合人眼临界频率与位平面的关系, 设定匹配阈值进一步消除冗余。本文提出了一种基于位平面运动估计的视频压缩方案, 以此设计数字驱动微显示器控制器并搭建系统验证设计。实验结果表明, 该方案平均压缩比为9.328 8, 压缩效率较高。解码后的图片平均峰值信噪比为22.810 3 dB,结构相似度为0.946 6, 恰可察失真到位平面的映射有效, 图片质量和渲染效果良好, 符合人眼的直观感受。
近眼显示 微显示器 运动估计 恰可察失真 near-eye display microdisplay motion estimation just noticeable difference
1 上海大学微电子研究与开发中心, 上海 200072
2 上海大学机电工程与自动化学院, 上海 200072
传统的二维JND(Just Noticeable Difference)模型只能估计平面图像的最小可觉差,并不完全适用于虚拟立体视觉下的大视场角图像。首先根据人眼视觉特性,对亮度、对比度、中心凹和立体深度4种掩蔽特性设计相应的双目观测实验,通过实验数据建立JND数学模型并将其与当前其他JND模型进行对比,结果表明该模型在同等感知质量下可以去除更多的视觉冗余。然后将该视觉感知冗余模型应用于图像压缩,为此提出一种多重色阶压缩算法,该算法根据人眼色差阈值对图像的不同区域进行不同等级的色阶量化,量化过程结合Floyd-Steinberg误差分散算法可以去除视觉冗余数据。最后在FPGA(Field-Programmable Gate Array)硬件平台上完成算法的验证,结果表明该算法的平均比特压缩率可以达到61.65%,能够有效降低VR(Virtual Reality)图像所需的传输数据量。
图像处理 视觉光学 中心凹JND 人眼视觉特性 数据传输 微显示器 光学学报
2021, 41(12): 1210001
当microLED处于正向工作区时,难以精确调节它们的电压来获得不同的发光亮度;且当microLED/OLED工作时,会较长时间处于闭合状态,导致人眼观察到的图像显示亮度变差。为解决以上问题,本文提出一种双帧分权融合扫描策略,通过调节microLED/OLED导通时间来获得不同亮度。该方法先对数据位重新分权,使导通时间分散插入到闭合时间内,然后将分权后的各数据位权值进行双帧融合,最后重新定义数据位的扫描顺序。并根据所提出的扫描策略设计了一款面向数字驱动式硅基微显示器的扫描控制器。结果表明:本文提出的双帧分权融合扫描策略可以精确调节microLED/OLED的发光亮度,提高人眼观察到图像显示亮度。该扫描策略与其它扫描策略相比,扫描效率提升至93.75%,场频提升至2040 Hz,扫描时钟频率为102.36 MHz,且同时减小了扫描数据带宽。最后通过测试证明了扫描控制器的可行性。
发光亮度 双帧分权融合 数字驱动式硅基微显示器 扫描控制器 扫描效率 luminance dual frame decentralized fusion digital drive on-silicon microdisplay scan controller scanning efficiency
南昌大学 材料科学与工程学院, 江西 南昌 330031
设计了用于发光二极管(LED) 微显示器折射率匹配层结构, 可以提高LED 微显示器的光学性能。倒装结构的LED微显示器出光面为蓝宝石(折射率约1.76), 它和空气的折射率(约为1.0)相差较大, 会有很大一部分光因为全反射而反射回器件内部被吸收, 导致器件的光效率降低。本文通过涂敷折射率匹配层硅胶(折射率约1.41~1.53)的方法, 改变器件表层的折射率使其和空气的折射率相匹配, 增加光逃逸锥角, 从而提高器件的光效率。结果表明涂敷硅胶可以提高光效率约25.75%, 在涂敷硅胶基础上盖玻璃片(折射率约1.47)可提高光效率约32.78%, 且硅胶涂敷前后器件的电学、光学、结温稳定性好。尽管增加的是侧方向的光通量, 但是其光效率的增加为高效率LED微显示的实现提供了参考依据。
发光二极管 微显示 折射率匹配层 光逃逸锥角 光效率 LED microdisplay refractive index matching layer light escape cone angle luminous efficiency
1 中国科学院 微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 101408
由于人类视觉系统感知的亮度与显示器实际显示的亮度为非线性关系, 需要对显示器的视频数据进行伽马校正, 使显示亮度适应人眼的感知需求。本文提出一种针对硅基OLED微型显示器的伽马校正方法。首先, 基于人眼视觉的伽马特性, 分析伽马校正的基本原理。然后, 提出对输入视频数据进行位宽拓展达到非线性输出, 并基于查找表和分段可调的线性差值算法实现伽马校正。最后, 根据实际XGA039芯片发光情况调试校正参数以达到更优的显示效果。实验结果表明: XGA039芯片最大发光亮度为20 000 cd/m2, 在伽马取值为2.2时, 采用可调非均匀分段获得了较好的显示效果。所提出的伽马校正方法能够使视频图像的显示质量明显改进, 且较传统方式在精度和实现面积上均有一定优势。
伽马校正 硅基OLED 微显示 分段 gamma correction oled-on-silicon microdisplay segmentation