System and method of micro-led display with three-dimensional micro NANO waveguide structure

Abstract

A micro-LED display system (200,500) is provided. The micro-LED display system (200,500) includes a micro-LED display chip (210) comprising multiple micro-LED pixel units (211,212,213,214,215,511,512,513,514) and a 3D micro nano optical structure (220,320,420,520). The 3D micro nano optical structure (220,320,420,520) is configured to project multiple light beams (231,232,233,234,235,531,532,533,534) emitted from multiple micro-LED pixel units (211,212,213,214,215,511,512,513,514) to a top surface of the 3D micro nano optical structure (220,320,420,520). A direction and a width of each light beam (231,232,233,234,235,531,532,533,534) are controlled by the 3D micro nano optical structure (220,320,420,520), respectively. Each light beam (231,232,233,234,235,531,532,533,534) is projected out from the 3D micro nano optical structure (220,320,420,520) with a fixed width toward a designated direction. The 3D micro nano optical structure (220,320,420,520) includes multiple paths, where each light beam (231,232,233,234,235,531,532,533,534) emitted from a corresponding micro-LED pixel unit (211,212,213,214,215,511,512,513,514) propagates along a corresponding path within the 3D micro nano optical structure (220,320,420,520).

Description

SYSTEM AND METHOD OF MICRO-LED DISPLAY WITH THREE-DIMENSIONAL MICRO NANO WAVEGUIDE STRUCTURETECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates generally to the technical field of displays, in particular to a micro light-emitting diode ( “LED” ) display projection system and a process of projecting images from the micro-LED display system with a three-dimensional ( “3D” ) micro nano waveguide structure.BACKGROUND

[0002] Display technologies are becoming increasingly important in today’s commercial electronic devices. These display panels are widely used in stationary large screens such as liquid crystal display televisions ( “LCD TVs” ) and organic light emitting diode televisions ( “OLED TVs” ) as well as portable electronic devices such as laptop personal computers, smartphones, tablets and wearable electronic devices.

[0003] An LED chip generally includes an Organic Light-Emitting Diode ( “OLED” ) chip, a Mini Light-Emitting Diode (Sub-millimeter Light-Emitting Diode) chip or a micro-LED (Micro Meter Light-Emitting Diode) chip and the like. LED is widely applied in the field of illumination. As the LED display screen gradually permeates towards the high-end market, the light emitting efficiency requirement of the LED display screen device is higher.

[0004] Pixels are composed of small squares of an image, and the small squares have a clear position and are assigned color values, and the color and position of the small squares determine the appearance of the image. The pixels may be viewed as inseparable units or elements throughout the image. Inseparable means that a pixel cannot be further cut into smaller units or elements, which are present in a single-color cell. Each dot matrix image contains a quantity of pixels that determine the size of the image presented on the screen.

[0005] The micro-LED display technology relates to micron-scale LED pixel units, which are assembled to a driving panel to form a high-density LED display array. The micro-LED display technology herein can also be referred to as μ-LED display technology. Since the micro-LED chip has attributes such as small in size, high in integration level, self-luminous, etc., the micro-LED chip has greater advantages in terms of brightness, resolution,  contrast, energy consumption, service life, response speed, thermal stability and the like compared with an LCD and an OLED. In some approaches, the early LED display screen pixels are formed by combining LEDs with three primary colors of red, green and blue.

[0006] In some approaches, in order to improve the efficiency of the light emitting display system, individual micro-lenses may be used on top of each of the pixels of a micro-LED chip and other projection lenses may further be configured for focusing, magnifying and projecting light to form an image. Such approaches need individual formation of the micro-lenses and there is no coordination or control between light projections from different pixels. Additional projection lenses may also reduce the portability of the light emitting display system. In some situations, the formation of the micro-lenses may involve complicated processing steps. Therefore, a new projection system is needed, so that the image quality and light transmission efficiency of the light emitting display system can be improved, and the size of the light emitting display system can be reduced.

[0007] As such, it would be desirable to provide the light emitting display system and method that address the above-mentioned drawbacks, amongst others.SUMMARY

[0008] There is a need for improved display device designs that improve upon, and help to address the issues and shortcomings of the display systems, such as those as described above. In particular, there is a need for a micro-LED pixel display system with improved image quality, projection efficiency, and smaller footprint.

[0009] The present disclosure relates to the technical field of displays and discloses a Light-Emitting Diode (LED) display system, and a method of displaying high quality images from the micro-LED pixel system. The technical drawbacks of the lack of light control and limited volume of a pixel light-emitting system at present are solved.

[0010] According to the present disclosure, a three-dimensional waveguide structure may be integrated on top of a light emitting display chip / panel which directs light from individual pixels of the light emitting display chip to a predetermined location. The waveguide structure also magnifies the projected image from the original image on the display chip from a small projecting area.

[0011] The present disclosure includes, without limitation, the following exemplary embodiments.

[0012] Some exemplary embodiments of the present disclosure provide a micro-LED display system. The micro-LED display includes a micro-LED display chip including multiple micro-LED pixel units and a 3D micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip. The 3D micro nano optical structure may be configured to project a first light beam emitted from a first micro-LED pixel unit to a top surface of the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the direction and width at the top surface of the 3D micro nano optical structure of the first light beam may be controlled by the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the first light beam may be projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure as a first parallel light beam with a fixed width toward a designated direction.

[0013] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure may be configured to expand the width of the first light beam within the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the 3D micro nano optical structure may be configured to change the direction of the first light beam within the 3D micro nano optical structure. The direction of the first light beam may be changed without using a prism.

[0014] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure may be configured to make the first light beam propagate along a designated path within the 3D micro nano optical structure. The designated path may be predetermined by an internal structure of the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the designated path may be a straight line path, a curved line path, or a polyline path.

[0015] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure may be a 3D photonic crystal waveguide.

[0016] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure includes an array of photonic crystal units. The array of the photonic crystal units includes multiple modified photonic crystal units, and one or more modified photonic crystal units may form a designated path for the first light beam to propagate within the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the  scale of each photonic crystal unit may be about 100 nanometers to about 1 micrometer. In some embodiments, the thickness of the 3D micro nano optical structure may be about 0.01 to about 5 millimeters.

[0017] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure includes first-type layers and second-type layers alternatively placed in a repeating pattern. The first-type layers and the second-type layers may be parallel to a top surface of the micro-LED display chip. In some embodiments, ach first-type layer includes multiple parallel rods in a first direction, and each second-type layer includes multiple parallel rods in a second direction. In some embodiments, the first direction may be perpendicular to the second direction. Both the first direction and the second direction may be parallel to the top surface of the micro-LED display chip.

[0018] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure and the micro-LED display chip may be integrally formed during an etching process.

[0019] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure includes multiple paths for multiple light beams emitted from multiple micro-LED pixel units to propagate along. Each light beam of emitted from a corresponding micro-LED pixel unit may propagate along a corresponding path within the 3D micro nano optical structure.

[0020] Some exemplary embodiments of the present disclosure provide a micro-LED display system. The micro-LED display system includes a micro-LED display chip including multiple micro-LED pixel units and a 3D micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip. In some embodiments, the 3D micro nano optical structure may be configured to project multiple light beams emitted from multiple micro-LED pixel units to the top surface of the 3D micro nano optical structure. In some embodiments, the direction and width of each light beam may be controlled by the 3D micro nano optical structure, respectively. In some embodiments, each light beam may be projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure as a parallel light beam with a fixed width toward a designated direction, respectively.

[0021] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure includes multiple paths. Each light beam propagates along a corresponding path within the 3D micro nano optical structure.

[0022] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, a first light beam may be projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure with a first fixed width toward a first designated direction, and a second light beam may be projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure with a second fixed width toward a second designated direction. In some embodiments, the first fixed width may be different from the second fixed width, and / or the first designated direction may be different from the second designated direction.

[0023] Some exemplary embodiments of the present disclosure provide a method of forming an image from a micro-LED display system. The method includes providing a micro-LED display chip including multiple micro-LED pixel units, providing a 3D micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip, projecting multiple light beams emitted from multiple micro-LED pixel units through the 3D micro nano optical structure, and controlling the direction and width of each light beam by the 3D micro nano optical structure, respectively. In some embodiments, each light beam may be projected out from the 3D micro nano optical structure as a parallel light beam with a fixed width toward a designated direction, respectively.

[0024] In some exemplary embodiments or any combination of exemplary embodiments, the 3D micro nano optical structure and the micro-LED display chip may be integrally formed during an etching process.

[0025] Note that the various embodiments described above may be combined with any other embodiments described herein. The features and advantages described in the specification are not all inclusive and, in particular, many additional features and advantages will be apparent to one of ordinary skill in the art in view of the drawings, specification, and claims. Moreover, it should be noted that the language used in the specification has been principally selected for readability and instructional purposes, and may not have been selected to delineate or circumscribe the inventive subject matter.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0026] So that the present disclosure may be understood in greater detail, a more particular description may be had by reference to the features of various embodiments, some of which are illustrated in the appended drawings. The appended drawings, however, merely illustrate pertinent features of the present disclosure and are therefore not to be considered limiting, for the description may admit to other effective features.

[0027] For convenience, “up” is used to mean away from a micro-LED display chip of a micro-LED display system, “down” means toward the micro-LED display chip, and other directional terms such as top, bottom, above, below, under, beneath, etc. are interpreted accordingly.

[0028] FIG. 1 illustrates an exemplary micro-LED display chip in a top schematic view according to some embodiments of the present disclosure.

[0029] FIG. 2 illustrates an exemplary micro-LED display system in a side schematic view according to some embodiments of the present disclosure.

[0030] FIG. 3 illustrates an exemplary internal structure of the 3D micro nano optical structure in a three-dimensional schematic view according to some embodiments of the present disclosure.

[0031] FIG. 4A illustrates an exemplary side schematic view of an internal structure of the 3D micro nano optical structure showing multiple photonic crystal units, according to some embodiments of the present disclosure.

[0032] FIG. 4B illustrates an exemplary side schematic view of an internal structure of the 3D micro nano optical structure showing multiple photonic crystal units and modified photonic crystal units, according to some embodiments of the present disclosure.

[0033] FIGs. 5A and 5B illustrate exemplary side schematic views of the micro-LED display system showing light beams emitted from multiple micro-LED pixel units of the micro-LED display chip passing through and being controlled by the 3D micro nano optical structure, according to some embodiments of the present disclosure.

[0034] In accordance with common practice, the various features illustrated in the drawings may not be drawn to scale. Accordingly, the dimensions of the various features may be arbitrarily expanded or reduced for clarity. In addition, some of the drawings may  not depict all of the components of a given system, method or device. Finally, like reference numerals may be used to denote like features throughout the specification and figures.DETAILED DESCRIPTION

[0035] Numerous details are described herein in order to provide a thorough understanding of the example embodiments illustrated in the accompanying drawings. However, some embodiments may be practiced without many of the specific details, and the scope of the claims is only limited by those features and aspects specifically recited in the claims. Furthermore, well-known processes, components, and materials have not been described in exhaustive detail so as not to unnecessarily obscure pertinent aspects of the embodiments described herein.

[0036] The present application relates to the technical field of micro-LED display, and discloses a micro-LED display system and a projection method thereof. Specifically, how to form a magnified image with a high quality from a three-dimensional optical structure is disclosed herein.

[0037] In some embodiments of the present disclosure, micro-nano optics technology is applied which focuses on the manipulation and control of light on a microscopic and nanoscopic scale. Micro-nano optics technology may be used to develop and analyze optical components and systems with features in the micrometer and sub-micrometer range, such as lenses, waveguides, filters, and diffractive optics. Micro-nano optics technology may also make use of advanced fabrication techniques, such as lithography and e-beam lithography, to produce and assemble these components. Micro-nano optics technology may also involve the study of micro-nano-photonics and plasmonics, which involve the manipulation of light on a nanoscale. Micro-nano optics technology may make use of nanomaterials and nanostructures, such as nanowires, nanotubes, nanoparticles, and nanocrystals, to manipulate light. Micro-nano optics technology may make use of advanced computational techniques, such as finite-difference time-domain and transfer matrix methods, to simulate and analyze optical systems.

[0038] According to some embodiments of the present disclosure, micro-nano optical technology is implemented. In some embodiments, two-dimensional or three-dimensional optical waveguide structure is manufactured. Light emitted by a micro-LED display chip is transmitted to the other locations through the waveguide, and the emergent direction of the  light is changed, so that each pixel may have different light emitting directions at the same light emitting position.

[0039] Along with continuous developments of consumer electronic products, consumers have higher expectations for portability requirements for the consumer electronic products. Reducing the volume, weight and power consumption of the electronic products becomes the key for product upgrading. In particular, for the field of display, consumers expect to have larger screens, but smaller sizes of the products.

[0040] In the present disclosure, a micro-projection scheme is provided by utilizing the development of micro-nano optics. Pixel-level image information is transmitted and processed by using a waveguide transmission technology of micro-nano optics (photonic crystal) , so that a high-efficiency and miniaturized optical projection structure is achieved.

[0041] FIG. 1 illustrates an exemplary micro-LED display chip 110 in a top schematic view according to some embodiments of the present disclosure. In some embodiments, each circle on micro-LED display chip 110 represents a micro-LED pixel unit (e.g., a micro-LED pixel unit 111) . Micro LED display chip 110 includes a plurality of micro-LED pixel units. Each micro-LED pixel unit may emit an individual light beam.

[0042] FIG. 2 illustrates an exemplary micro-LED display system 200 in a side schematic view according to some embodiments of the present disclosure. In some embodiments, micro-LED display system 200 includes a micro-LED display chip 210 and a 3D micro nano optical structure 220 on top of micro-LED display chip 210. In some embodiments, micro-LED display chip 210 in FIG. 2 may be micro-LED display chip 110 as described above with reference to FIG. 1.

[0043] In some embodiments, micro-LED display chip 210 includes multiple micro-LED pixel units forming a micro-LED pixel unit array. Each micro-LED pixel unit may emit an individual light beam that passes through 3D micro nano optical structure 220.3D micro nano optical structure 220 may project light beams individually emitted from micro-LED pixel units to the top surface of 3D micro nano optical structure 220. For example, light beams 231 through 235 that are emitted by micro-LED pixel units 211 through 215, respectively, are projected to the top surface of 3D micro nano optical structure 220. In some embodiments, the direction, width, and exiting point of each of light beams 231 through 235 may be controlled or manipulated by 3D micro nano optical structure 220. Accordingly, light  beams 231 through 235 may be projected out from top surface of 3D micro nano optical structure 220 as parallel light beams 231’ through 235’ with fixed widths, toward designated directions, and from specific points.

[0044] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 220 may include multiple designated paths for light beams emitted from multiple micro-LED pixel units to propagate along. Each light beam emitted from a corresponding micro-LED pixel unit propagates along a corresponding path within 3D micro nano optical structure 220. For example, 3D micro nano optical structure 220 includes designated paths for light beams 231 through 235 to propagate along. Light beams 231 through 235 emitted from micro-LED pixel units 211 through 215 each propagates along a corresponding path within 3D micro nano optical structure 220. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 220 may be configured to make light beams 231 through 235 propagate along designated paths within 3D micro nano optical structure 220, respectively. In some embodiments, the designated paths are predetermined by the internal structure of 3D micro nano optical structure 220. In some embodiments, the designated path is a straight line path, a curved line path, or a polyline path.

[0045] For example, light beam 231 emitted by micro-LED pixel unit 211 passes through 3D micro nano optical structure 220 and is projected out of the top surface of 3D micro nano optical structure 220 at a specific point 241 as parallel light beam 231’. Parallel light beam 231’ maintains the width and direction of light beam 231, and the designated path of light beam 231 is a straight line path.

[0046] For example, light beam 232 emitted by micro-LED pixel unit 212 passes through 3D micro nano optical structure 220 and is projected out of the top surface of 3D micro nano optical structure 220 at a specific point 242 as parallel light beam 232’. 3D micro nano optical structure 220 expands the width of light beam 232 within 3D micro nano optical structure 220 to form parallel light beam 232’, making the fixed width of parallel light beam 232’ different from the fixed width of parallel light beam 231’.

[0047] For example, light beam 233 emitted by micro-LED pixel unit 213 passes through 3D micro nano optical structure 220 and is projected out of the top surface of 3D micro nano optical structure 220 at a specific point 243 as parallel light beam 233’. Light beam 234 emitted by micro-LED pixel unit 214 passes through 3D micro nano optical structure 220 and is projected out of the top surface of 3D micro nano optical structure 220 at  specific point 243 as parallel light beam 234’. 3D micro nano optical structure 220 changes the direction of light beams 233 and 234 within 3D micro nano optical structure 220 without using a prism. Accordingly, the directions of parallel light beams 233’ and 234’ are different from the direction of parallel light beams 231’. In some embodiments, the designated paths of light beams 233 and 234 intersect with each other within (or on the top surface) at specific point 243 of 3D micro nano optical structure 220 without interfering with each other (e.g., cross talk between light beams 233 and 234) .

[0048] For example, light beam 235 emitted by micro-LED pixel unit 215 passes through 3D micro nano optical structure 220 and is projected out of the top surface of 3D micro nano optical structure 220 at a specific point 245 as parallel light beam 235’. 3D micro nano optical structure 220 changes the direction of light beam 235 multiple times within 3D micro nano optical structure 220 without using a prism, to form parallel light beam 235’. In some embodiments, the designated path of light beam 235 is a polyline path.

[0049] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 220 may transmit and magnify a light beam from a micro-LED pixel unit. In addition, 3D micro nano optical structure 220 may greatly reduce the dimension of micro-LED display system 200 compared with other micro-LED display system using individual lenses or other structures to control the width and direction of light beams.

[0050] FIG. 3 illustrates an exemplary internal structure of a 3D micro nano optical structure 320 in a three-dimensional schematic view according to some embodiments of the present disclosure. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 320 in FIG. 3 may be 3D micro nano optical structure 220 as described above with reference to FIG. 2.

[0051] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 320 may be composed of periodic arrangements of materials that are arranged in a lattice-like structure. In some embodiments, the materials of 3D micro nano optical structure 320 may include semiconductors, metals, and / or dielectric materials. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 320 may be a 3D photonic crystal waveguide. In some embodiments, the thickness of 3D micro nano optical structure 320 may be about 0.01 to about 5 millimeters. A person having ordinary skills in the art would understand 3D micro nano optical structure 320 may also be other optical element having similar properties and characteristics that allows the control and manipulation of light, such as refraction, reflection, and diffraction.

[0052] As shown in FIG. 3, 3D micro nano optical structure 320 includes a grid-like structure with rods 321 extending along X direction in one layer and rods 322 extending along Y direction in another layer. Two types of layers 325 may be alternatively placed in a repeating pattern along Z direction, one of which consists of multiple X-direction rods 321 and the other of which consists of multiple Y-direction rods 322, respectively. Layers 325 of 3D micro nano optical structure 320 may be parallel to the top surface of micro-LED display chip 210 as described in FIG. 2. In some embodiments, X-direction rods 321 and Y-direction rods 322 may also be parallel to the top surface of micro-LED display chip 210 as described in FIG. 2. X direction is perpendicular to Y direction, and Z direction is perpendicular to both X direction and Y direction. In some embodiments, X-direction rods 321 and Y-direction rods 322 could be rods with a cubic, rectangular, oval, or circular cross-section. In some embodiments, multiple modified units may be formed within X-direction rods 321 and / or Y-direction rods 322.

[0053] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 320 may be manufactured by a multi-layer stack etching process. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 320 and micro-LED display chip 210 as described in FIG. 2 may be integrally formed during the same etching process. In some embodiments, micro-LED display chip 210 is formed by an array of micro-LED structures etching from a piece of semiconductor material, where each of the micro-LED structures forms a micro-LED pixel unit as described in FIG. 2. In some embodiments, multi-layer micro structure etching is continued to be performed on the micro-LED structures by photolithography etching or ion beam etching, forming 3D micro nano optical structure 320 on top of micro-LED display chip 210. Accordingly, 3D micro nano optical structure 320 and micro-LED display chip 210 may be integrally packaged to form a pixel-level optical waveguide device.

[0054] FIGs. 4A and 4B illustrate exemplary side schematic views of an internal structure of a 3D micro nano optical structure 420 showing multiple photonic crystal units, according to some embodiments of the present disclosure. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 420 in FIGs. 4A and 4B may be 3D micro nano optical structure 220 or 320 as described above with reference to FIGs. 2 and 3.

[0055] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 420 (e.g., a 3D photonic crystal waveguide) may include an array of photonic crystal units (e.g., a photonic crystal unit 401) , as shown in FIG. 4A. In some embodiments, 3D micro nano optical  structure 420 (e.g., a 3D photonic crystal waveguide) may include band gaps along all directions that prohibit the propagation of light beams. Due to the band gap properties of 3D micro nano optical structure 420, light of specific wavelengths may be transmitted along the modified units formed within 3D micro nano optical structure 420. Accordingly, the control or manipulation of light on a micro nano level may be achieved by the design and arrangement of the position and size of the modified units within 3D micro nano optical structure 420.

[0056] As shown in FIG. 4B, 3D micro nano optical structure 420 includes an array of photonic crystal units (e.g., photonic crystal unit 401) , and the array of the photonic crystal units comprises multiple modified photonic crystal units (e.g., a modified photonic crystal unit 402) . In some embodiments, one or more modified photonic crystal units forms a designated path for light beams to propagate within 3D micro nano optical structure 420. Light beams may be transmitted along the path formed by modified photonic crystal units and will changes the width and / or direction when the path formed by modified photonic crystal units changes its width and / or direction. In some embodiments, the scale of each photonic crystal unit 401 is about 100 nanometers to about 1 micrometer.

[0057] In some embodiments, modified units may be formed within X-direction rods 321 and / or Y-direction rods 322 as described in FIG. 3. One or more modified units formed within X-direction rods 321 and / or Y-direction rods 322 form the designated paths for the light beams to propagate within 3D micro nano optical structure 420.

[0058] FIGs. 5A and 5B illustrate exemplary side schematic views of a micro-LED display system 500 showing light beams emitted from multiple micro-LED pixel units of a micro-LED display chip passing through and being controlled by a 3D micro nano optical structure 520, according to some embodiments of the present disclosure. In some embodiments, micro-LED display system 500 includes a micro-LED display chip (not shown) that comprises a plurality of micro-LED pixel units (e.g., micro-LED pixel units 511 through 514) forming a micro-LED pixel unit array. In some embodiments, micro-LED display system 500 further includes 3D micro nano optical structure 520 formed on top of the micro-LED display chip. In some embodiments, micro-LED display system 500 in FIGs. 5A and 5B may be micro-LED display system 200 as described above with reference to FIG. 2. In some embodiments, 3D micro nano optical structure 520 in FIGs. 5A and 5B may be 3D micro  nano optical structure 220, 320, or 420 as described above with reference to FIGs. 2 through 4B.

[0059] In some embodiments, 3D micro nano optical structure 520 includes multiple internal light paths designed for light emitted by micro-LED pixel units to pass through. Each internal light path corresponds to a micro-LED pixel unit, which allows a light emitted by the micro-LED pixel unit to propagate along. In some embodiments, the light passing through 3D micro nano optical structure 520 may be projected to a screen 550 or to a user’s eyes.

[0060] For example, as shown in FIG. 5A, 3D micro nano optical structure 520 includes a first light path corresponding to micro-LED pixel unit 511 that allows a light beam 531 to transmit through 3D micro nano optical structure 520, where light 531 may be projected to screen 550 to form a light spot 551. A second light path corresponding to micro-LED pixel unit 512 that allows a light beam 532 to transmit through 3D micro nano optical structure 520, where light 532 may be projected to screen 550 to form a light spot 552. The first light path for light beam 531 is a straight line path, and the second light path for light beam 532 is a polyline path. In some embodiments, light beam 532 deflects at a point 501, and the direction of light beam 532 may turn, e.g., 45 degrees, to the left at point 501. In some embodiments, the first light path for light beam 531 and the second light path for light beam 532 intersect with each other at a point 502. In some embodiments, light beam 531 and light beam 532 may not interfere or cross-talk with each other.

[0061] For example, as shown in FIG. 5B, 3D micro nano optical structure 520 includes a third light path corresponding to micro-LED pixel unit 513 that allows a light beam 533 to transmit through 3D micro nano optical structure 520. The third light path for light beam 533 splits at a point 503 into a light path for a sub light beam 533a and a light path for a sub light beam 533b. The light path for sub light beam 533a changes direction at a point 504, and the light path for sub light beam 533b changes direction at a point 505. Accordingly, light beam 533 has two separate exiting points on the top surface of 3D micro nano optical structure 520, forms two separate parallel light beams 533a and 533b when exiting 3D micro nano optical structure 520, and finally projects to screen 550 to form two separate light spots 553a and 553b.

[0062] For example, as further shown in FIG. 5B, 3D micro nano optical structure 520 includes a fourth light path corresponding to micro-LED pixel unit 514 that allows a light  beam 534 to transmit through 3D micro nano optical structure 520. The fourth light path for light beam 534 expands or splits at point 506 and the width of light beam 534 changes at point 506. Accordingly, the light beam 534 finally projects to screen 550 to form a light spot 554, which is larger than each of light spots 551 through 553b as described in FIGs. 5A and 5B.

[0063] In some embodiments, the light paths for light beams 531 through 534 may be internally designed within 3D micro nano optical structure 520 by arranging multiple modified photonic crystal units along light paths, as discussed in FIG. 4. Accordingly, the directions and widths of light beams can be controlled by the design and arrangement of modified photonic crystal units within 3D micro nano optical structure 520. In addition, the light exiting points on the top surface of 3D micro nano optical structure 520 would also be controlled by designing the light path through the arrangement of modified photonic crystal units.

[0064] In some embodiments, an optical lens array is not needed on the micro-LED display chip when the 3D micro nano optical structure is implemented. According to the internal structure of the 3D micro nano optical structure, the transmission path of light emitted from each micro-LED pixel unit may be designed and controlled. Compared with micro-LED display chip with multiple optical lenses, the micro-LED display chip with the 3D micro nano optical structure disclosed herein has the characteristic of small size and high light efficiency.

[0065] It is understood by those skilled in the art that, the micro-LED display system is not limited by the structure (s) mentioned above, and may include more or less components than those as illustrated, or some components may be combined, or a different component may be utilized.

[0066] The above descriptions are merely embodiments of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto. A modifications, equivalent substitutions and improvements made without departing from the conception and principle of the present disclosure shall fall within the protection scope of the present disclosure.

[0067] Further embodiments also include various subsets of the above embodiments including embodiments as shown in FIGs. 1 through 5B combined or otherwise re-arranged in various other embodiments.

[0068] Although the detailed description contains many specifics, these should not be construed as limiting the scope of the disclosure but merely as illustrating different embodiments and aspects of the disclosure. It should be appreciated that the scope of the disclosure includes other embodiments not discussed in detail above. For example, the approaches described above may be applied to the integration of functional devices other than LEDs and OLEDs with control circuitry other than pixel drivers. Embodiments of non-LED devices include vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL) , photodetectors, micro-electro-mechanical system (MEMS) , silicon photonic devices, power electronic devices, and distributed feedback lasers (DFB) . Embodiments of other control circuitry include current drivers, voltage drivers, trans-impedance amplifiers, and logic circuits.

[0069] The preceding description of the disclosed embodiments is provided to enable any person skilled in the art to make or use the embodiments described herein and variations thereof. Various modifications to these embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles defined herein may be applied to other embodiments without departing from the spirit or scope of the subject matter disclosed herein. Thus, the present disclosure is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the following claims and the principles and novel features disclosed herein.

[0070] Features of the present disclosure may be implemented in, using, or with the assistance of a computer program product, such as a storage medium (media) or computer readable storage medium (media) having instructions stored thereon / in which may be used to program a processing system to perform any of the features presented herein. The storage medium may include, but is not limited to, high-speed random-access memory, such as DRAM, SRAM, DDR RAM or other random-access solid-state memory devices, and may include non-volatile memory, such as one or more magnetic disk storage devices, optical disk storage devices, flash memory devices, or other non-volatile solid state storage devices. Memory optionally includes one or more storage devices remotely located from the CPU (s) . Memory or alternatively the non-volatile memory device (s) within the memory, comprises a non-transitory computer readable storage medium.

[0071] Stored on any machine readable medium (media) , features of the present disclosure may be incorporated in software and / or firmware for controlling the hardware of a processing system, and for enabling a processing system to interact with other mechanisms  utilizing the results of the present disclosure. Such software or firmware may include, but is not limited to, application code, device drivers, operating systems, and execution environments / containers.

[0072] It will be understood that, although the terms “first, ” “second, ” etc. may be used herein to describe various elements or steps, these elements or steps should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element or step from another.

[0073] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the claims. As used in the description of the embodiments and the appended claims, the singular forms “a, ” “an” and “the” are intended to include the plural forms as well, unless the context clearly indicates otherwise. It will also be understood that the term “and / or” as used herein refers to and encompasses any and all possible combinations of one or more of the associated listed items. It will be further understood that the terms “comprises” and / or “comprising, ” when used in this specification, specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0074] As used herein, the term “if” may be construed to mean “when” or “upon” or “in response to determining” or “in accordance with a determination” or “in response to detecting, ” that a stated condition precedent is true, depending on the context. Similarly, the phrase “if it is determined [that a stated condition precedent is true] ” or “if [a stated condition precedent is true] ” or “when [a stated condition precedent is true] ” may be construed to mean “upon determining” or “in response to determining” or “in accordance with a determination” or “upon detecting” or “in response to detecting” that the stated condition precedent is true, depending on the context.

[0075] The foregoing description, for purpose of explanation, has been described with reference to specific embodiments. However, the illustrative discussions above are not intended to be exhaustive or to limit the claims to the precise forms disclosed. Many modifications and variations are possible in view of the above teachings. The embodiments were chosen and described in order to best explain principles of operation and practical  applications, to thereby enable others skilled in the art to best utilize the disclosure and the various embodiments.

Claims

1.A micro light-emitting diode (LED) display system, comprising:a micro-LED display chip comprising a plurality of micro-LED pixel units; anda three-dimensional (3D) micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip, configured to project a first light beam emitted from a first micro-LED pixel unit of the plurality of micro-LED pixel units to a top surface of the 3D micro nano optical structure,wherein:a direction and a width at the top surface of the 3D micro nano optical structure of the first light beam are controlled by the 3D micro nano optical structure, andthe first light beam is projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure as a first parallel light beam with a fixed width toward a designated direction.2.The micro-LED display system according to claim 1, wherein the 3D micro nano optical structure is configured to expand the width of the first light beam within the 3D micro nano optical structure.3.The micro-LED display system according to claim 1, wherein:the 3D micro nano optical structure is configured to change the direction of the first light beam within the 3D micro nano optical structure; andthe direction of the first light beam is changed without using a prism.4.The micro-LED display system according to claim 1, wherein:the 3D micro nano optical structure is configured to make the first light beam propagate along a designated path within the 3D micro nano optical structure; andthe designated path is predetermined by an internal structure of the 3D micro nano optical structure.5.The micro-LED display system according to claim 1, wherein the designated path is a straight line path, a curved line path, or a polyline path.6.The micro-LED display system according to claim 1, wherein the 3D micro nano optical structure is a 3D photonic crystal waveguide.7.The micro-LED display system according to claim 1, wherein:the 3D micro nano optical structure comprises an array of photonic crystal units;the array of the photonic crystal units comprises a plurality of modified photonic crystal units; andone or more modified photonic crystal units of the plurality of modified photonic crystal units form a designated path for the first light beam to propagate within the 3D micro nano optical structure.8.The micro-LED display system according to claim 7, wherein a scale of each photonic crystal unit is about 100 nanometers to about 1 micrometer.9.The micro-LED display system according to claim 1, wherein a thickness of the 3D micro nano optical structure is about 0.01 to about 5 millimeters.10.The micro-LED display system according to claim 1, wherein the 3D micro nano optical structure is made of materials that are periodically arranged in a lattice-like structure.11.The micro-LED display system according to claim 1, wherein:the 3D micro nano optical structure comprises first-type layers and second-type layers alternatively placed in a repeating pattern;the first-type layers and the second-type layers are parallel to a top surface of the micro-LED display chip;each first-type layer comprises a plurality of parallel rods in a first direction; andeach second-type layer comprises a plurality of parallel rods in a second direction.12.The micro-LED display system according to claim 11, wherein:the first direction is perpendicular to the second direction; andboth the first direction and the second direction are parallel to the top surface of the micro-LED display chip.13.The micro-LED display system according to claim 12, wherein:a plurality of modified units are formed within the plurality of parallel rods in the first direction and the plurality of parallel rods in a second direction; andone or more modified units of the plurality of modified units form a designated path for the first light beam to propagate within the 3D micro nano optical structure.14.The micro-LED display system according to claim 1, wherein the 3D micro nano optical structure and the micro-LED display chip are integrally formed during an etching process.15.The micro-LED display system according to claim 1, wherein:the 3D micro nano optical structure comprises a plurality of paths for a plurality of light beams emitted from the plurality of micro-LED pixel units to propagate along; andeach light beam of the plurality of light beams emitted from a corresponding micro-LED pixel unit of the plurality of micro-LED pixel units propagates along a corresponding path of the plurality of paths within the 3D micro nano optical structure.16.A micro light-emitting diode (LED) display system, comprising:a micro-LED display chip comprising a plurality of micro-LED pixel units; anda three-dimensional (3D) micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip, configured to project a plurality of light beams emitted from the plurality of micro-LED pixel units to a top surface of the 3D micro nano optical structure,wherein:a direction and a width of each of the plurality of light beams are controlled by the 3D micro nano optical structure, respectively; andeach of the plurality of light beams is projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure as a parallel light beam with a fixed width toward a designated direction, respectively.17.The micro-LED display system according to claim 16, wherein:the 3D micro nano optical structure comprises a plurality of paths; andeach of the plurality of light beams propagates along a corresponding path of the plurality of paths within the 3D micro nano optical structure.18.The micro-LED display system according to claim 16, wherein:a first light beam of the plurality of light beams is projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure with a first fixed width toward a first designated direction;a second light beam of the plurality of light beams is projected out from the top surface of the 3D micro nano optical structure with a second fixed width toward a second designated direction; andthe first fixed width is different from the second fixed width or the first designated direction is different from the second designated direction.19.A method of forming an image from a micro light-emitting diode (LED) display system, comprising:providing a micro-LED display chip comprising a plurality of micro-LED pixel units;providing a three-dimensional (3D) micro nano optical structure on top of the micro-LED display chip;projecting a plurality of light beams emitted from the plurality of micro-LED pixel units through the 3D micro nano optical structure; andcontrolling a direction and a width of each of the plurality of light beams by the 3D micro nano optical structure, respectively,wherein each of the plurality of light beams is projected out from the 3D micro nano optical structure as a parallel light beam with a fixed width toward a designated direction, respectively.20.The method of forming an image from a micro-LED display system according to claim 19, wherein the 3D micro nano optical structure and the micro-LED display chip are integrally formed during an etching process.

Images