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    科技魔方

    蘋果專利為AR/VR空間光調制器提出單片陣列布置

    AR/VR

    2022年01月18日

      AR/VR頭顯包含一系列不同的光學元件,例如空間光調制器??臻g光調制器是指在主動控制下,它可以通過液晶分子調制光場的某個參量來將一定的信息寫入光波中,達到光波調制的目的。一般地說,空間光調制器含有眾多排列成陣列的獨立光源,每個單元都可以獨立地接收光學信號或電學信號的控制,并按信號改變自身的光學性質,從而對照明在其上的光波進行調制。

      在一種布置中,每個陣列中的光源都形成在相同的電介質襯底層。在名為“Display systems having monolithic arrays of light-emitting diodes”的專利申請中,蘋果將這種陣列布置稱為單片陣列。

      圖3是空間光調制器33是反射式空間光調制器。如圖3所示,照明引擎31可包括布置在一個或多個陣列40中的光源,例如第一陣列40A、第二陣列40B和第三陣列40C。陣列40中的光源可以包括任何期望的光源(發射器)。這里的示例光源是LED。如果需要,LED可以替換成OLED、ULED、Mini-LED和/或任何其他需要的光源。

      陣列40A、40B和40C可各自發射相應波長范圍的照明光35。例如,陣列40A可以發射紅光,陣列40B可以發射綠光,陣列40C可以發射藍光。棱鏡42可將陣列40A、40B和40C發射的光組合成照明光35,并可向空間光調制器33提供照明光35。透鏡或其他光學部件可插入陣列40A、40B和/或40C與棱鏡42之間和/或棱鏡42與空間光調制器33之間。

      空間光調制器33可包括棱鏡46和反射顯示面板,例如顯示面板44。顯示面板44可包括DMD面板、LCOS面板或其他反射顯示面板。棱鏡46可將照明光35定向至顯示面板44??刂齐娐?6控制顯示面板44在每個像素位置選擇性地反射照明光35以產生圖像光22。棱鏡46可將圖像光22引導至圖2的準直光學裝置34。照明引擎31可包括以任何所需方式布置的任何所需光源,并用于向空間光調制器33提供任何所需波長的照明光35。照明引擎31可以僅包括陣列40A、40B和40C中的一個或兩個,或者如果需要,可以包括三個以上的陣列40。

      如果需要,陣列40A、40B和40C中的光源可以獨立調整,以調整反射顯示面板44上照明光35的空間分布。例如,每個陣列可具有至少第一組一個或多個光源49和第二組一個或多個光源47??刂齐娐?6可獨立控制光源49和47的強度、發射持續時間和/或占空比,以控制反射顯示面板44不同區域處照明光35的亮度。例如,控制電路16可以獨立地控制光源49的強度,以控制提供給反射顯示面板44的區域48中的像素的照明光35的量。類似地,控制電路16可以獨立地控制光源47的強度、發射持續時間和/或占空比,以控制提供給反射顯示面板44的區域46中的像素的照明光35的量。

      這樣,可以獨立地控制圖像光22的圖像中的不同區域的亮度。例如,當明亮物體位于區域48內時,控制電路可以增加光源49的強度,而不增加光源47的強度。例如,這可以節省顯示模塊14A中的功率,并提供具有增強的動態范圍和與局部變暗區域的對比度的高質量圖像。

      通常,每個陣列可以具有任意所需數量的獨立可控光源,亦即每個陣列中的每個光源可以獨立控制。陣列40A、40B和40C可以獨立地控制。以這種方式,顯示模塊14A可以針對圖像中任何所需數量的區域、任何所需大小的區域以及任何所需顏色通道執行照明光35的局部調光。這種靈活性可用于優化圖像光22中的圖像效果,同時能夠優化顯示模塊14A中的資源消耗。

      在一種適當布置中,陣列40A、40B和40C是光源的單片陣列,其中每個陣列中的光源都形成在相同的電介質襯底層(載體)上。所以,陣列40A、40B和40C在專利描述中又稱為單片陣列。

      如圖4所示,照明引擎31可包括一個或多個單片陣列40。例如,圖4的單片陣列40可用于形成圖3的陣列40A、陣列40B和/或陣列40C。每個單片陣列40中的光源都可以形成在相同的電介質襯底層上。單片陣列40中的光源可由顯示驅動電路50驅動。例如,驅動電路50可以產生通過導電互連結構(路徑)52提供給單片陣列40中的光源的驅動信號和電源信號。驅動信號可用于獨立控制單片陣列40中的每個LED。相同的驅動電路50可用于驅動照明引擎31中的每個單片陣列40,或者照明引擎31中的每個單片陣列40可由相應的驅動電路50驅動。例如,驅動器電路50可以形成在驅動器集成電路(芯片)或驅動器印刷電路板(PCB)上。照明引擎31還可包括照明光學器件51(例如,圖3的棱鏡42),其有助于將照明光從單片陣列40定向到空間光調制器33。

      圖5是說明性單片陣列40的橫截面側視圖。如圖5所示,單片陣列40可包括光源60。在本文描述為的一種合適布置中,光源60是LED。所以,光源60在本文中有時被稱為LED 60。單片陣列40中的每個LED 60安裝在諸如介電襯底層62的介電襯底層的相同表面上。如果需要,可以同時將LED 60圖案化到襯底層62。LED 60可通過襯底層62發射光。LED 60可布置成行和列的網格或在襯底層62上布置成任何其他所需圖案。

      在一種合適的布置中,單片陣列40中的每行LED 60可共享一個公共陽極。圖6是單片陣列40的前視圖,其中單片陣列40中的每行LED 60共享一個公共陽極。如圖6所示,單片陣列40可包括在襯底層62上,并以行和列的網格圖案排列的一組LED 60。

      在另一合適的布置中,每個LED 60可以具有用于驅動LED的相應的一對接觸墊。圖8是單片陣列40的前視圖,其中單片陣列40中的每個LED 60具有相應的一對接觸墊。如圖8所示,單片陣列40中的每個LED 60可以包括相應的p接觸墊,并且可以包括相應的n接觸墊。p觸點82和n觸點80各自可以耦合到從圖4的驅動器電路50接收驅動信號的相應電極。

      單片陣列40中的LED 60可配置為發射任何所需波長范圍(顏色)的光。圖10是單片陣列40中的給定LED 60的橫截面側視圖,其中LED 60配置為發射藍光或綠光。圖10的LED 60可以具有一個公共陽極,每個LED位于其一行單片陣列40中,或者可以具有其各自的一對p和n觸點。

      圖11是單片陣列40中給定LED 60的橫截面側視圖,其中LED 60配置為發射紅光。圖11的LED 60可以具有一個公共陽極,每個LED位于其一行單片陣列40中,或者可以具有其各自的一對p和n觸點。

      在一種合適的布置中,單片陣列40中的每個LED 60可以具有單獨的各自n觸點。圖12示出了單片陣列40中的每個LED 60具有單獨的各自n觸點。如圖12所示,LED 60形成在襯底層62的上表面76。每個LED 60具有各自的n型層,例如n型層120。每個n型層120耦合到從驅動電路接收驅動信號的相應電極124。每個LED 60中的n型層120通過相應的間隙122與相鄰LED 60中的n型層120分離。

      在另一種合適的布置中,單片陣列40中的每個LED可共用一個公共n觸點。圖13示出了單片陣列40中的每個LED共享公共n觸點。如圖13所示,LED 60形成在襯底層62的頂面76。每個LED 60形成在相同n型層120的相應部分。

      通常,廠商希望以盡可能高的亮度均勻性引導每個LED 60發射的盡可能多的光通過襯底層62。在一個場景中,漫射器可用于幫助優化LED 60的亮度均勻性。然而,漫射器可能對LED 60發射的光引入不期望的損失。所以,可能需要提供具有光重定向結構的單片陣列40,以優化LED 60的光學性能。

      圖14是單片陣列40中的示例性LED 60的示意圖,其中襯底層102具有紋理表面以幫助重定向發射光。

      如圖14所示,LED 60可安裝在襯底層62的表面76。在圖14的示例中,LED 60配置為發射藍光或綠光。圖14的LED 60可以與單片陣列40中的其他LED共享其n觸點),或者可以具有其各自的n觸點。

      如圖14所示,襯底層62的表面78可圖案化或紋理化(例如蝕刻),以包括表面特征130/光重定向元件130。光重定向元件130可以是球形、非球面、彎曲或任何其他所需形狀。例如,光重定向元件130可在襯底層62的表面78中形成微透鏡陣列,并與LED 60的有源區重疊。在沒有光重定向元件130的情況下,如箭頭132所示,LED 60發射的光可經由全內反射沿襯底層62橫向傳播。所述光線可從襯底層62的側面產生不期望的串擾和信號泄漏。光重定向元件130的存在可允許重定向沿襯底層62橫向傳播的光,如箭頭134所示。這可用于防止光通過沿襯底層62的全內反射傳播,從而減輕串擾和信號泄漏,并優化LED 60的亮度均勻性。

      圖15是一個示例中單片陣列40的示意圖,其中襯底層62包括相鄰LED 60之間的溝槽,以幫助將發射光重定向到所需方向。如圖15所示,單片陣列40可包括安裝在襯底層62的表面76的LED 60。

      如圖15所示,溝槽142可切割成相鄰LED 60之間的襯底層62的表面78。例如,溝槽142可以橫向地圍繞襯底層62中的相應LED 60的橫向輪廓。溝槽142可以延伸穿過襯底層62的部分但不是全部厚度。

      在另一種可能的布置中,溝槽142可延伸穿過襯底層62的所有厚度。溝槽142不需要具有矩形輪廓,并且通??梢跃哂腥魏嗡璧男螤?。溝槽142可將LED 60發射的部分光重定向至所需方向,例如箭頭144所示。

      圖16是單片陣列40的示意圖,其中襯底層62包括相鄰LED 60之間的突出結構,以幫助將發射光重定向到所需方向。如圖16所示,單片陣列40可包括安裝在襯底層62的表面76的LED 60。

      如圖16所示,諸如突出結構150的突出物可在相鄰LED 60之間的襯底層62的表面78的平面上方突出。例如,可以通過移除突出結構150之間的襯底層62的部分來形成突出結構150。例如,突出結構150可以橫向地圍繞襯底層62中的相應LED 60的橫向輪廓。突出結構150可以是三角形、梯形、曲線或任何其他所需形狀。突出結構150的側壁可以平行于表面76的法向軸的角度或相對于法向軸的非零角度延伸。突出結構150可將LED 60發射的部分光重定向至所需方向。

      圖14-16可以以任何期望的方式組合。圖19是單片陣列40的示意圖,在所述示例中,襯底層62包括相鄰LED 60和紋理表面之間的溝槽,以幫助將發射的光重定向到期望的方向。如圖19所示,單片陣列40可包括安裝在襯底層62的表面76上的LED 60。

      如圖19所示,襯底層62的表面78可圖案化或紋理化(例如蝕刻),以包括表面特征180/光重定向元件180。光重定向元件180可以是球形、非球面、彎曲或任何其他所需形狀。例如,光重定向元件180可在襯底層62的表面78中形成微透鏡陣列,并與LED 60的有源區域重疊。同時,溝槽142可切割成相鄰LED 60之間的襯底層62的表面78。例如,溝槽142可以橫向地圍繞襯底層62中的相應LED 60的橫向輪廓。溝槽142可以延伸穿過襯底層62的部分或全部厚度。

      光重定向元件180和溝槽142可有助于減輕LED 60之間的串擾,影響襯底層62的全內反射模式,并可減輕襯底層62側面的泄漏。

      名為“Display systems having monolithic arrays of light-emitting diodes”的蘋果專利申請最初在2021年9月提交,并在日前由美國專利商標局公布。

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    來源:映維網

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