荧光显微镜下的微显示世界

您有过戴上AR眼镜，去体验虚拟环境与真实环境交互融合乐趣的经历吗？在AR的增强现实(Augmented Reality)世界中，科学家们借助光电显示、交互技术、多种传感器和计算机图形与多媒体技术，将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分。微显示则是实现AR*关键的技术之一。

微显示是指对角线尺寸通常小于1英寸但具有高分辨率的微型显示器，其核心特点是像素尺寸极小，像素密度极高。在AR/VR设备、车载显示及智能穿戴等领域中，微显示技术正处于大放异彩的发展阶段。

 图1. 微显示在智能穿戴中的应用

微显示涵盖硅基液晶（LCOS）、数字微镜阵列（DLP）、硅基有机发光二极管（Micro-OLED）和微型GaN发光二极管（Micro-LED）和微型量子点发光二极管（Micro-QLED）。其中Micro-LED不需要额外照射光源，易于实现小型化。相对传统的LCD低对比度和漏光残影，Micro-LED可熄灭单个像素，呈现绝对黑，且具有小于微秒的快速响应时间。而相对于Micro-OLED的烧屏风险，Micro-LED 寿命更长，成本也更容易控制。其中，微型GaN发光二极管具有超高亮度、长寿命的特点，处在快速发展时期，但实现全彩化的工艺复杂，开发难度大。Micro-QLED具有发光亮度范围大、容易实现高分辨和全彩化等特点，是*具潜力的AR微显示技术路线。

图2. Micro-LED(QLED) 微显示器

       Micro-LED的尺寸一般都在百微米以下，不管是光致发光还是电致发光，想看到如此小尺寸的发光图案需要借助于光学显微镜。对于光致发光研究来说，荧光显微镜是表征微显示世界中Micro-LED的发光图案的绝佳工具。

显微荧光成像可分为荧光强度成像和荧光寿命成像。荧光强度成像可以得到样品表面微区的荧光强度分布，用以判断表面发光的均匀性。荧光寿命成像则是利用样品表面发光寿命组分进行成像，得到不同寿命组分的分布，可为样品表面的缺陷态、能量转移等深层次机理研究提供参考。

 图3. 荧光寿命显微镜两种成像模式

卓立汉光OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜基于科研级正置显微镜设计，配置高灵敏度光电倍增管和快速响应CCD作为检测器。皮秒脉冲激光器作为寿命测试的激发光源。软件控制的自动XY位移台，移动精度为1μm。*多可耦合四路入射激光，软件可自动执行内部光路切换。以下带来OmniFluo-FLIM在Micro-LED光致发光图案表征中的案例分享。

图4. OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜

氮化镓 Micro-LED 异常发光区域辨别

图5A为直径80微米的氮化镓 Micro-LED的荧光显微镜明场成像照片。在圆形图像的右边可以看到一个不规则的暗区（红圈标注），这个暗区有可能是样品表面的污染或者缺陷造成。5B为样品的荧光强度成像，同样可以看到MicroLED 上同一位置处的暗蓝区域（红圈标注），表明此区域的荧光与样品表面其他区域相比，强度有很大的降低。单从图5A和5B，难以对此异常区域形成的原因做出有效的推测，因为样品表面的污染或者是某种形式的能量转移均能造成荧光强度的降低。为了进一步探寻原因，我们使用了荧光寿命成像（图5C）。从图中可以看到，前两个图中的异常区域消失了，这意味着此异常区域并无缺陷存在，因为缺陷导致的能量转移一般会伴随荧光寿命的减小，因此可以推断，在图5A和图5B中测到的异常区域应为某种污染所导致。

图5. (A)明场成像; (B) 荧光强度成像; (C) 荧光寿命成像

量子点Micro-QLED 图案化表征及质量检测

QLED是一种基于量子点的新型发光技术，具有发光亮度高、色域宽、可溶液加工等特点，通过适配光刻、喷墨打印等量产工艺，可分别满足中大尺寸和微显示屏的应用需求。通过不同的光刻胶工艺可制备各种有趣的红光Micro-QLED图案。图6为在OmniFluo-FLIM荧光寿命成像显微镜下获取的荧光强度成像（PL Mapping），横坐标标尺单位为μm。

图6. 图案化Micro-QLED 的显微荧光强度成像

当选择 OmniFluo-FLIM配置的快速响应CCD作为检测器，可大大缩短Mapping时间。PL Mapping 中任意位置处的荧光发射光谱可通过点击图像中不同像素点得到。图7为一个尺寸为25μm的红光Micro-QLED上不同位置处（a、b、c、d）所对应的PL光谱，发光峰位于627nm。

图7. 红光Micro-LED的PL Mapping及不同位置处的荧光光谱

工艺质量检测

Micro-QLED在制备过程中可能会因为工艺条件的变化导致部分像素脱落，通过PL Mapping可以对图案制备的质量进行判断。图8A为正常图案的点状Micro-QLED，单个尺寸为18μm左右。图8B可见部分Micro-QLED在制备过程中由于某种原因发生脱落，造成图案的缺失，可见PL Mapping可作为检验图案化效果的有效手段之一。

图8. Micro-LED 的PL Mapping图（A）正常图案；（B）部分量子点脱落图案

特别致谢

以上图案化Micro-QLED样品由北京理工大学智能光子学团队钟海政教授课题组提供。