通过梯度折射率填充微号角准直器实现超定向高效率µLED

为未来头戴设备带来更清晰、更明亮的像素

从智能眼镜到虚拟现实头盔，未来的显示器需要数以百万计既极为明亮又高度定向的小型光源。微型LED（µLED）是有力的候选技术，但现阶段它们浪费了大量光，并向各个方向散射。本文提出了一种在芯片处重塑光分布的新方法，有望带来更清晰的图像、更低的功耗以及更轻薄的光学器件，适用于下一代增强/虚拟现实设备和光通信系统。

为什么微小的LED会浪费大量光

常规LED在芯片内部就已经会损失令人惊讶的光能，但对于尺寸仅为几微米的µLED来说问题更为严重。它们产生的大部分光以陡峭入射角击中半导体表面，被全内反射困在芯片内，反复反射直到被吸收成热而无法逸出。与此同时，能逸出的光又在很宽的方向范围内散开，像一束未聚焦的手电筒光束。对于诸如基于波导的AR眼镜或耦合光纤的通信链路等应用，只有落在大约±15度窄锥角内的光才真正有用。因此，同时提高光的逸出比例和束光的定向性，对于实现更高效、更紧凑的µLED系统至关重要。

用于引导光束的微型金属号角

作者借鉴了微波天线工程中的号角天线概念：在µLED像素正上方放置一个微型号角结构——称为µHorn。号角的金属侧壁充当镜面，用来捕捉那些本会以不利角度射出的光并将其重新定向到前向方向。关键在于，这个号角并非简单的空腔，而是填充了折射率从LED半导体核心到周围空气逐步下降的材料。这种所谓的梯度折射率（GRIN）区域充当了一个缓和的光学引导坡道，使得即使是入射角很大的光线也能离开高密度的半导体、逐步弯曲，然后被号角壁反射成一束窄而有用的光。

模拟显示方向性提升十倍

为了验证他们的想法，研究者使用了在纳米尺度追踪电磁波的详细计算机模拟。起初他们研究了简化的二维横截面模型，随后转向更接近真实像素的三维圆柱模型。他们比较了几种情况：裸µLED、仅填充空气的µHorn、填充均匀玻璃状材料的号角，以及由多层介电材料构成、近似GRIN剖面的号角。在这些设计中，他们改变了号角高度和开口角，以查看哪些组合提供最佳性能。最出色的设计是填充GRIN的µHorn，其总体光提取效率达约80%，大约31%的总发射功率集中在窄的±15°锥角内。在三维情况下，与裸像素相比，这相当于可用定向光增加了约十倍，并且比放置在顶部的精心优化但体积较大的半椭球形玻璃透镜的性能高出一倍多。

用于AR/VR的紧凑高能像素

µHorn方法的一个关键优势是紧凑性。能够准直µLED光的传统透镜通常必须比像素本身大好几倍——直径和高度可达数十微米——这使得构建高密度、高分辨率阵列变得困难。相比之下，所提出的号角结构只会略微增加器件的高度，同时将发光表面扩展到仅为像素宽度的几倍。由于其效果不依赖于精确的谐振或主动区内的单一“最佳点”，GRIN号角即使在发光量子阱位置在典型工艺公差范围内偏移时仍能保持有效。这种鲁棒性表明，该概念可以使用常见介电材料的叠层并通过蚀刻和金属化形成号角侧壁，从而集成到实际制造流程中。

这对日常设备意味着什么

在实际应用上，填充GRIN的µHorn可实现极高像素密度的µLED显示——约6500像素每英寸——同时减少功耗和热量产生。对于AR/VR头显，更定向的发射意味着更多光实际进入形成图像的波导和光学系统，可能允许设备更薄更轻，并实现更明亮更清晰的视觉效果。对于可见光通信链路，它提供了一种在极小体积内集成更高效、低发散发射器的途径。尽管仍需进一步优化和工艺实现工作，本研究证明了通过精细雕刻的微尺度号角和梯度光学特性，可以显著提升微型LED将电能转换为有用、定向光的效率。

引用: Luce, A., Alaee, R. & Abass, A. Ultra-directional and high-efficiency µLEDs via gradient index filled micro-horn collimators. Sci Rep 16, 7391 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39920-7

关键词: 微型LED 显示, AR VR 光学引擎, 光提取效率, 梯度折射率光学, 光束准直