苹果专利为AR/VR空间光调制器提出单片阵列布置

　　AR/VR头显包含一系列不同的光学元件，例如空间光调制器。空间光调制器是指在主动控制下，它可以通过液晶分子调制光场的某个参量来将一定的信息写入光波中，达到光波调制的目的。一般地说，空间光调制器含有众多排列成阵列的独立光源，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。

　　在一种布置中，每个阵列中的光源都形成在相同的电介质衬底层。在名为“Display systems having monolithic arrays of light-emitting diodes”的专利申请中，苹果将这种阵列布置称为单片阵列。

　　图3是空间光调制器33是反射式空间光调制器。如图3所示，照明引擎31可包括布置在一个或多个阵列40中的光源，例如第一阵列40A、第二阵列40B和第三阵列40C。阵列40中的光源可以包括任何期望的光源(发射器)。这里的示例光源是LED。如果需要，LED可以替换成OLED、ULED、Mini-LED和/或任何其他需要的光源。

　　阵列40A、40B和40C可各自发射相应波长范围的照明光35。例如，阵列40A可以发射红光，阵列40B可以发射绿光，阵列40C可以发射蓝光。棱镜42可将阵列40A、40B和40C发射的光组合成照明光35，并可向空间光调制器33提供照明光35。透镜或其他光学部件可插入阵列40A、40B和/或40C与棱镜42之间和/或棱镜42与空间光调制器33之间。

　　空间光调制器33可包括棱镜46和反射显示面板，例如显示面板44。显示面板44可包括DMD面板、LCOS面板或其他反射显示面板。棱镜46可将照明光35定向至显示面板44。控制电路16控制显示面板44在每个像素位置选择性地反射照明光35以产生图像光22。棱镜46可将图像光22引导至图2的准直光学装置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，并用于向空间光调制器33提供任何所需波长的照明光35。照明引擎31可以仅包括阵列40A、40B和40C中的一个或两个，或者如果需要，可以包括三个以上的阵列40。

　　如果需要，阵列40A、40B和40C中的光源可以独立调整，以调整反射显示面板44上照明光35的空间分布。例如，每个阵列可具有至少第一组一个或多个光源49和第二组一个或多个光源47。控制电路16可独立控制光源49和47的强度、发射持续时间和/或占空比，以控制反射显示面板44不同区域处照明光35的亮度。例如，控制电路16可以独立地控制光源49的强度，以控制提供给反射显示面板44的区域48中的像素的照明光35的量。类似地，控制电路16可以独立地控制光源47的强度、发射持续时间和/或占空比，以控制提供给反射显示面板44的区域46中的像素的照明光35的量。

　　这样，可以独立地控制图像光22的图像中的不同区域的亮度。例如，当明亮物体位于区域48内时，控制电路可以增加光源49的强度，而不增加光源47的强度。例如，这可以节省显示模块14A中的功率，并提供具有增强的动态范围和与局部变暗区域的对比度的高质量图像。

　　通常，每个阵列可以具有任意所需数量的独立可控光源，亦即每个阵列中的每个光源可以独立控制。阵列40A、40B和40C可以独立地控制。以这种方式，显示模块14A可以针对图像中任何所需数量的区域、任何所需大小的区域以及任何所需颜色通道执行照明光35的局部调光。这种灵活性可用于优化图像光22中的图像效果，同时能够优化显示模块14A中的资源消耗。

　　在一种适当布置中，阵列40A、40B和40C是光源的单片阵列，其中每个阵列中的光源都形成在相同的电介质衬底层(载体)上。所以，阵列40A、40B和40C在专利描述中又称为单片阵列。

　　如图4所示，照明引擎31可包括一个或多个单片阵列40。例如，图4的单片阵列40可用于形成图3的阵列40A、阵列40B和/或阵列40C。每个单片阵列40中的光源都可以形成在相同的电介质衬底层上。单片阵列40中的光源可由显示驱动电路50驱动。例如，驱动电路50可以产生通过导电互连结构(路径)52提供给单片阵列40中的光源的驱动信号和电源信号。驱动信号可用于独立控制单片阵列40中的每个LED。相同的驱动电路50可用于驱动照明引擎31中的每个单片阵列40，或者照明引擎31中的每个单片阵列40可由相应的驱动电路50驱动。例如，驱动器电路50可以形成在驱动器集成电路(芯片)或驱动器印刷电路板(PCB)上。照明引擎31还可包括照明光学器件51(例如，图3的棱镜42)，其有助于将照明光从单片阵列40定向到空间光调制器33。

　　图5是说明性单片阵列40的横截面侧视图。如图5所示，单片阵列40可包括光源60。在本文描述为的一种合适布置中，光源60是LED。所以，光源60在本文中有时被称为LED 60。单片阵列40中的每个LED 60安装在诸如介电衬底层62的介电衬底层的相同表面上。如果需要，可以同时将LED 60图案化到衬底层62。LED 60可通过衬底层62发射光。LED 60可布置成行和列的网格或在衬底层62上布置成任何其他所需图案。

　　在一种合适的布置中，单片阵列40中的每行LED 60可共享一个公共阳极。图6是单片阵列40的前视图，其中单片阵列40中的每行LED 60共享一个公共阳极。如图6所示，单片阵列40可包括在衬底层62上，并以行和列的网格图案排列的一组LED 60。

　　在另一合适的布置中，每个LED 60可以具有用于驱动LED的相应的一对接触垫。图8是单片阵列40的前视图，其中单片阵列40中的每个LED 60具有相应的一对接触垫。如图8所示，单片阵列40中的每个LED 60可以包括相应的p接触垫，并且可以包括相应的n接触垫。p触点82和n触点80各自可以耦合到从图4的驱动器电路50接收驱动信号的相应电极。

　　单片阵列40中的LED 60可配置为发射任何所需波长范围(颜色)的光。图10是单片阵列40中的给定LED 60的横截面侧视图，其中LED 60配置为发射蓝光或绿光。图10的LED 60可以具有一个公共阳极，每个LED位于其一行单片阵列40中，或者可以具有其各自的一对p和n触点。

　　图11是单片阵列40中给定LED 60的横截面侧视图，其中LED 60配置为发射红光。图11的LED 60可以具有一个公共阳极，每个LED位于其一行单片阵列40中，或者可以具有其各自的一对p和n触点。

　　在一种合适的布置中，单片阵列40中的每个LED 60可以具有单独的各自n触点。图12示出了单片阵列40中的每个LED 60具有单独的各自n触点。如图12所示，LED 60形成在衬底层62的上表面76。每个LED 60具有各自的n型层，例如n型层120。每个n型层120耦合到从驱动电路接收驱动信号的相应电极124。每个LED 60中的n型层120通过相应的间隙122与相邻LED 60中的n型层120分离。

　　在另一种合适的布置中，单片阵列40中的每个LED可共用一个公共n触点。图13示出了单片阵列40中的每个LED共享公共n触点。如图13所示，LED 60形成在衬底层62的顶面76。每个LED 60形成在相同n型层120的相应部分。

　　通常，厂商希望以尽可能高的亮度均匀性引导每个LED 60发射的尽可能多的光通过衬底层62。在一个场景中，漫射器可用于帮助优化LED 60的亮度均匀性。然而，漫射器可能对LED 60发射的光引入不期望的损失。所以，可能需要提供具有光重定向结构的单片阵列40，以优化LED 60的光学性能。

　　图14是单片阵列40中的示例性LED 60的示意图，其中衬底层102具有纹理表面以帮助重定向发射光。

　　如图14所示，LED 60可安装在衬底层62的表面76。在图14的示例中，LED 60配置为发射蓝光或绿光。图14的LED 60可以与单片阵列40中的其他LED共享其n触点)，或者可以具有其各自的n触点。

　　如图14所示，衬底层62的表面78可图案化或纹理化(例如蚀刻)，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、弯曲或任何其他所需形状。例如，光重定向元件130可在衬底层62的表面78中形成微透镜阵列，并与LED 60的有源区重叠。在没有光重定向元件130的情况下，如箭头132所示，LED 60发射的光可经由全内反射沿衬底层62横向传播。所述光线可从衬底层62的侧面产生不期望的串扰和信号泄漏。光重定向元件130的存在可允许重定向沿衬底层62横向传播的光，如箭头134所示。这可用于防止光通过沿衬底层62的全内反射传播，从而减轻串扰和信号泄漏，并优化LED 60的亮度均匀性。

　　图15是一个示例中单片阵列40的示意图，其中衬底层62包括相邻LED 60之间的沟槽，以帮助将发射光重定向到所需方向。如图15所示，单片阵列40可包括安装在衬底层62的表面76的LED 60。

　　如图15所示，沟槽142可切割成相邻LED 60之间的衬底层62的表面78。例如，沟槽142可以横向地围绕衬底层62中的相应LED 60的横向轮廓。沟槽142可以延伸穿过衬底层62的部分但不是全部厚度。

　　在另一种可能的布置中，沟槽142可延伸穿过衬底层62的所有厚度。沟槽142不需要具有矩形轮廓，并且通常可以具有任何所需的形状。沟槽142可将LED 60发射的部分光重定向至所需方向，例如箭头144所示。

　　图16是单片阵列40的示意图，其中衬底层62包括相邻LED 60之间的突出结构，以帮助将发射光重定向到所需方向。如图16所示，单片阵列40可包括安装在衬底层62的表面76的LED 60。

　　如图16所示，诸如突出结构150的突出物可在相邻LED 60之间的衬底层62的表面78的平面上方突出。例如，可以通过移除突出结构150之间的衬底层62的部分来形成突出结构150。例如，突出结构150可以横向地围绕衬底层62中的相应LED 60的横向轮廓。突出结构150可以是三角形、梯形、曲线或任何其他所需形状。突出结构150的侧壁可以平行于表面76的法向轴的角度或相对于法向轴的非零角度延伸。突出结构150可将LED 60发射的部分光重定向至所需方向。

　　图14-16可以以任何期望的方式组合。图19是单片阵列40的示意图，在所述示例中，衬底层62包括相邻LED 60和纹理表面之间的沟槽，以帮助将发射的光重定向到期望的方向。如图19所示，单片阵列40可包括安装在衬底层62的表面76上的LED 60。

　　如图19所示，衬底层62的表面78可图案化或纹理化(例如蚀刻)，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、弯曲或任何其他所需形状。例如，光重定向元件180可在衬底层62的表面78中形成微透镜阵列，并与LED 60的有源区域重叠。同时，沟槽142可切割成相邻LED 60之间的衬底层62的表面78。例如，沟槽142可以横向地围绕衬底层62中的相应LED 60的横向轮廓。沟槽142可以延伸穿过衬底层62的部分或全部厚度。

　　光重定向元件180和沟槽142可有助于减轻LED 60之间的串扰，影响衬底层62的全内反射模式，并可减轻衬底层62侧面的泄漏。

　　名为“Display systems having monolithic arrays of light-emitting diodes”的苹果专利申请最初在2021年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。