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單片陣列

（映維網(wǎng)Nweon?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(diào)制器?？臻g光調(diào)制器是指在主動控制下，它可以通過液晶分子調(diào)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(diào)制的目的。一般地說，空間光調(diào)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(zhì)，從而對照明在其上的光波進行調(diào)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(zhì)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(diào)制器33是反射式空間光調(diào)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(fā)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(fā)射相應波長范圍的照明光35。例如，陣列40A可以發(fā)射紅光，陣列40B可以發(fā)射綠光，陣列40C可以發(fā)射藍光。棱鏡42可將陣列40A、40B和40C發(fā)射的光組合成照明光35，并可向空間光調(diào)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(diào)制器33之間。

空間光調(diào)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。控制電路16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(chǎn)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(diào)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(diào)整，以調(diào)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。控制電路16可獨立控制光源49和47的強度、發(fā)射持續(xù)時間和/或占空比，以控制反射顯示面板44不同區(qū)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(qū)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(fā)射持續(xù)時間和/或占空比，以控制提供給反射顯示面板44的區(qū)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(qū)域的亮度。例如，當明亮物體位于區(qū)域48內(nèi)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(jié)省顯示模塊14A中的功率，并提供具有增強的動態(tài)范圍和與局部變暗區(qū)域的對比度的高質(zhì)量圖像。

通常，每個陣列可以具有任意所需數(shù)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(shù)量的區(qū)域、任何所需大小的區(qū)域以及任何所需顏色通道執(zhí)行照明光35的局部調(diào)光。這種靈活性可用于優(yōu)化圖像光22中的圖像效果，同時能夠優(yōu)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(zhì)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(zhì)襯底層上。單片陣列40中的光源可由顯示驅(qū)動電路50驅(qū)動。例如，驅(qū)動電路50可以產(chǎn)生通過導電互連結(jié)構(gòu)（路徑）52提供給單片陣列40中的光源的驅(qū)動信號和電源信號。驅(qū)動信號可用于獨立控制單片陣列40中的每個LED。相同的驅(qū)動電路50可用于驅(qū)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(qū)動電路50驅(qū)動。例如，驅(qū)動器電路50可以形成在驅(qū)動器集成電路（芯片）或驅(qū)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(diào)制器33。

圖5是說明性單片陣列40的橫截面?zhèn)纫晥D。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(fā)射光。LED 60可布置成行和列的網(wǎng)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(wǎng)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(qū)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(qū)動器電路50接收驅(qū)動信號的相應電極。

單片陣列40中的LED 60可配置為發(fā)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?zhèn)纫晥D，其中LED 60配置為發(fā)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?zhèn)纫晥D，其中LED 60配置為發(fā)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(qū)動電路接收驅(qū)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(fā)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(yōu)化LED 60的亮度均勻性。然而，漫射器可能對LED 60發(fā)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(jié)構(gòu)的單片陣列40，以優(yōu)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(fā)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(fā)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(qū)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(fā)射的光可經(jīng)由全內(nèi)反射沿襯底層62橫向傳播。所述光線可從襯底層62的側(cè)面產(chǎn)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(nèi)反射傳播，從而減輕串擾和信號泄漏，并優(yōu)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(fā)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(fā)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(jié)構(gòu)，以幫助將發(fā)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)150之間的襯底層62的部分來形成突出結(jié)構(gòu)150。例如，突出結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)150可以是三角形、梯形、曲線或任何其他所需形狀。突出結(jié)構(gòu)150的側(cè)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(jié)構(gòu)150可將LED 60發(fā)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(fā)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(qū)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(nèi)反射模式，并可減輕襯底層62側(cè)面的泄漏。

相關(guān)專利：Apple Patent | Display systems having monolithic arrays of light-emitting diodes

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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