使用电流体动力喷墨打印在微型LED阵列上制备高折射率微透镜

为日常科技带来更亮的小型屏幕

从智能眼镜到汽车前照灯，许多新兴设备依赖微型发光二极管（micro-LED）来呈现清晰、明亮的图像。然而，这些微小像素产生的大量光并未到达观察者的眼睛或道路；光线朝各个方向散射，甚至溢入相邻像素，使图像变得模糊。本文研究了一种简单方法：在每个微型LED像素顶部直接放置微小透镜，使更多光线朝有用方向发散，为更清晰、更高效的显示器和投影仪铺平道路。

微小透镜为何重要

微型LED被视为下一代显示技术的重要候选，因为它们可以非常明亮、节能且寿命长。然而，每个像素的行为更像一个裸露的灯泡，几乎均匀地向多个方向发光。在增强现实眼镜或微型投影仪等应用中，只有一小束光可以被光学系统捕获并送到观察者。以大角度射出的光基本上被浪费掉，而且会导致“串扰”，即一个像素的光泄入邻近像素，削弱图像对比。工程师曾尝试诸如图案化表面或微小光学腔等复杂结构来约束光线，但这些结构在大面积制造时往往困难或成本高昂。

一种新的光学整形方法

作者们着眼于更直接的思路：在每个微型LED上覆盖匹配的小透镜，使出射光被轻柔地引导成更窄的光束。要有效，这些微透镜需要两个关键特性：要足够高，并由高折射率材料制成以强烈折射光线。传统方法——例如熔化光刻胶成型、将模具压入软塑料，或使用常规喷墨打印——要么难以制造较高的透镜，要么受限于折射率较低的塑料材料。相反，团队采用电流体动力（electrohydrodynamic）喷墨打印，它使用电力而不仅仅是流体驱动来喷出极细的液滴。该方法可以将更厚、折射率更高的光学树脂直接打印到完成的微型LED芯片上，实现每个像素精确一滴的打印。

使表面更利于形成透镜

单靠打印液滴还不够：液滴的展开或堆积形态很大程度上取决于底层表面对液体的相互作用。为了获得更陡、更呈圆顶形的透镜，研究者首先在微型LED表面涂覆一层薄的疏水（排水）层。这种处理使透镜树脂的液滴更易聚成珠状，增加了透镜的“凸高”（sag），从而增强其聚光能力。对水和树脂液滴在表面上的接触角测量显示，处理后接触角增大，证明了更强的珠状效应。当在处理过与未处理的芯片上打印相同树脂时，所得透镜高度几乎翻倍，直径略有缩小，并获得更高的有效集光能力。共聚焦三维扫描和电子显微镜图像显示出成型良好的圆顶，尺寸和间距与微型LED像素紧密匹配。

更集中的光束和更少的像素泄漏

为了检验这些精确打印的微透镜是否真正提升性能，团队测量了微型LED阵列在不同角度下的亮度表现。装上透镜后，在约±30度的中央视角范围内——这通常是增强现实光学系统使用的角度——亮度提高了约16%。与此同时，超过约60度的宽角发射光减少了约12%。这意味着更多产生的光被导向有用方向，减少了浪费和眩光。基于透镜详细3D扫描的仿真验证了这一基本趋势，并表明通过略微增大每个透镜并在LED与透镜之间插入薄间隔层，准直度和效率还能进一步提高。一个关键好处是像素串扰显著下降，大约从原先有约三分之二的光泄入邻域降至约四分之一。

这对未来设备意味着什么

对一般读者而言，核心结论是：经精心设计的一层微透镜、直接打印在微型LED芯片上，可以在不增加功耗的情况下显著提高微型显示器和投影仪的亮度与清晰度。通过结合高折射率材料、促进液滴形成高圆顶的表面处理以及适用于厚且精确液滴的打印方法，研究人员展示了一条实用且可扩展的光控制路径。随着这些技术的成熟，我们可以期待在紧凑设备（如AR眼镜、抬头显示器和数字前照灯）中看到更清晰的视觉效果，受益于更多光线被精确地导向所需位置。

引用: Dai, G., Chen, K., Meng, X. et al. High refractive index microlenses patterned onto micro-LED arrays using electrohydrodynamic inkjet printing. Sci Rep 16, 14272 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43929-3

关键词: 微型LED显示, 微透镜阵列, 喷墨打印, 光准直, 增强现实