您有過戴上AR眼鏡，去體驗虛擬環(huán)境與真實環(huán)境交互融合樂趣的經(jīng)歷嗎？在AR的增強現(xiàn)實(Augmented Reality)世界中，科學家們借助光電顯示、交互技術、多種傳感器和計算機圖形與多媒體技術，將計算機生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的現(xiàn)實環(huán)境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實環(huán)境的組成部分。微顯示則是實現(xiàn)AR最關鍵的技術之一。

微顯示是指對角線尺寸通常小于1英寸但具有高分辨率的微型顯示器，其核心特點是像素尺寸極小，像素密度*高。在AR/VR設備、車載顯示及智能穿戴等領域中，微顯示技術正處于大放異彩的發(fā)展階段。

圖1. 微顯示在智能穿戴中的應用

微顯示涵蓋硅基液晶（LCOS）、數(shù)字微鏡陣列（DLP）、硅基有機發(fā)光二極管（Micro-OLED）和微型GaN發(fā)光二極管（Micro-LED）和微型量子點發(fā)光二極管（Micro-QLED）。其中Micro-LED不需要額外照射光源，易于實現(xiàn)小型化。相對傳統(tǒng)的LCD低對比度和漏光殘影，Micro-LED可熄滅單個像素，呈現(xiàn)黑，且具有小于微秒的快速響應時間。而相對于Micro-OLED的燒屏風險，Micro-LED 壽命更長，成本也更容易控制。其中，微型GaN發(fā)光二極管具有超高亮度、長壽命的特點，處在快速發(fā)展時期，但實現(xiàn)全彩化的工藝復雜，開發(fā)難度大。Micro-QLED具有發(fā)光亮度范圍大、容易實現(xiàn)高分辨和全彩化等特點，是具潛力的AR微顯示技術路線。

圖2. Micro-LED(QLED) 微顯示器

Micro-LED的尺寸一般都在百微米以下，不管是光致發(fā)光還是電致發(fā)光，想看到如此小尺寸的發(fā)光圖案需要借助于光學顯微鏡。對于光致發(fā)光研究來說，熒光顯微鏡是表征微顯示世界中Micro-LED的發(fā)光圖案的工具。

顯微熒光成像可分為熒光強度成像和熒光壽命成像。熒光強度成像可以得到樣品表面微區(qū)的熒光強度分布，用以判斷表面發(fā)光的均勻性。熒光壽命成像則是利用樣品表面發(fā)光壽命組分進行成像，得到不同壽命組分的分布，可為樣品表面的缺陷態(tài)、能量轉移等深層次機理研究提供參考。

圖3. 熒光壽命顯微鏡兩種成像模式

卓立漢光OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡基于科研級正置顯微鏡設計，配置高靈敏度光電倍增管和快速響應CCD作為檢測器。皮秒脈沖激光器作為壽命測試的激發(fā)光源。軟件控制的自動XY位移臺，移動精度為1μm。最多可耦合四路入射激光，軟件可自動執(zhí)行內部光路切換。以下帶來OmniFluo-FLIM在Micro-LED光致發(fā)光圖案表征中的案例分享。

圖4. OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡

氮化鎵 Micro-LED 異常發(fā)光區(qū)域辨別

圖5A為直徑80微米的氮化鎵 Micro-LED的熒光顯微鏡明場成像照片。在圓形圖像的右邊可以看到一個不規(guī)則的暗區(qū)（紅圈標注），這個暗區(qū)有可能是樣品表面的污染或者缺陷造成。5B為樣品的熒光強度成像，同樣可以看到MicroLED 上同一位置處的暗藍區(qū)域（紅圈標注），表明此區(qū)域的熒光與樣品表面其他區(qū)域相比，強度有很大的降低。單從圖5A和5B，難以對此異常區(qū)域形成的原因做出有效的推測，因為樣品表面的污染或者是某種形式的能量轉移均能造成熒光強度的降低。為了進一步探尋原因，我們使用了熒光壽命成像（圖5C）。從圖中可以看到，前兩個圖中的異常區(qū)域消失了，這意味著此異常區(qū)域并無缺陷存在，因為缺陷導致的能量轉移一般會伴隨熒光壽命的減小，因此可以推斷，在圖5A和圖5B中測到的異常區(qū)域應為某種污染所導致。

圖5. (A)明場成像; (B) 熒光強度成像; (C) 熒光壽命成像

量子點Micro-QLED 圖案化表征及質量檢測

圖案化表征

QLED是一種基于量子點的新型發(fā)光技術，具有發(fā)光亮度高、色域寬、可溶液加工等特點，通過適配光刻、噴墨打印等量產工藝，可分別滿足中大尺寸和微顯示屏的應用需求。通過不同的光刻膠工藝可制備各種有趣的紅光Micro-QLED圖案。圖6為在OmniFluo-FLIM熒光壽命成像顯微鏡下獲取的熒光強度成像（PL Mapping），橫坐標標尺單位為μm。

圖6. 圖案化Micro-QLED 的顯微熒光強度成像

當選擇 OmniFluo-FLIM配置的快速響應CCD作為檢測器，可大大縮短Mapping時間。PL Mapping 中任意位置處的熒光發(fā)射光譜可通過點擊圖像中不同像素點得到。圖7為一個尺寸為25μm的紅光Micro-QLED上不同位置處（a、b、c、d）所對應的PL光譜，發(fā)光峰位于627nm。

圖7. 紅光Micro-LED的PL Mapping及不同位置處的熒光光譜

工藝質量檢測

Micro-QLED在制備過程中可能會因為工藝條件的變化導致部分像素脫落，通過PL Mapping可以對圖案制備的質量進行判斷。圖8A為正常圖案的點狀Micro-QLED，單個尺寸為18μm左右。圖8B可見部分Micro-QLED在制備過程中由于某種原因發(fā)生脫落，造成圖案的缺失，可見PL Mapping可作為檢驗圖案化效果的有效手段之一。

圖8. Micro-LED 的PL Mapping圖（A）正常圖案；（B）部分量子點脫落圖案

特別致謝

以上圖案化Micro-QLED樣品由北京理工大學智能光子學團隊鐘海政教授課題組提供。