自发光显示面板

技术领域

本公开涉及电光器件，尤其涉及视觉显示面板及其制造方法。

背景技术

视觉显示器向一位或多位观看者提供信息，这些信息包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域都有应用，仅举几个例子，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些视觉显示器(例如，电视机)向数位用户显示图像，而一些视觉显示系统(例如，近眼显示器(near-eye display，NED))是针对个人用户的。

人工现实系统通常包括被配置成向用户呈现内容的NED(例如，头戴式视图器(headset)或一副眼镜)。近眼显示器可以显示虚拟对象、或将真实对象的图像与虚拟对象的图像进行组合，如在虚拟现实(virtual reality，VR)应用、增强现实(augmentedreality，AR)应用或混合现实(mixed reality，MR)应用中那样。例如，在AR系统中，用户可以通过透视“组合器”部件来观看与周围环境叠加的虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))。可穿戴显示器的组合器通常对外部光是透明的，但包括一些光路由光学器件以将显示光引导到用户的视场中。

由于头戴式显示器(HMD)或NED的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以具有沉重电池的大型、体积庞大且笨重、不平衡和沉重的显示设备对于用户穿戴来说将是麻烦的且是不舒适的。因此，头戴式显示设备可以受益于紧凑且高效的构造，该构造包括为显示面板提供照明的高效光源和照明器、高通量准直器和图像形成系统中的其它光学元件。

发明内容

根据第一方面，提供了一种自发光显示面板，该自发光显示面板包括：第一基板；光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)层，该PIC层由该第一基板支承，该PIC层包括用于引导照明光的波导阵列；电子电路层，该电子电路层由该PIC层支承；以及像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列，其中，该电子电路层被配置用于向该像素电极阵列施加电信号；其中，该PIC层包括耦接到该波导阵列的耦出器阵列，该耦出器阵列用于使该照明光的多个部分通过该电子电路层并通过该像素电极阵列耦出。

该自发光显示面板还可以包括：第二基板，该第二基板与第一基板相对；背板电极层，该背板电极层由第二基板支承，像素化电极层和背板电极层限定单元；以及电活性层，该电活性层位于该单元中。在运行中，照明光的多个部分可以顺序地传播穿过电子电路层、像素电极、电活性层、背板电极和第二基板。

电活性层可以包括液晶。

耦出器阵列可以包括形成在波导阵列中的光栅。

光栅可以是倾斜的，以提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

耦出器阵列可以包括纳米结构阵列，该纳米结构阵列用于提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

照明光可以包括多个颜色通道。波导阵列的每个波导可以被配置成传送多个颜色通道中的每个颜色通道。耦出器阵列的每个耦出器可以被配置成以基本上相同的主光线角度耦出多个颜色通道中的每个颜色通道。

该波导阵列可以包括多个子阵列。每个子阵列可以被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。

根据第二方面，提供了一种自发光显示面板，该自发光显示面板包括：相对的第一基板和第二基板；光子集成电路(PIC)层，该PIC层由第一基板支承，该PIC层包括用于引导照明光的波导阵列；背板电极层，该背板电极层由PIC层支承；电子电路层，该电子电路层由第二基板支承；像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列，其中，该电子电路层被配置用于向像素电极阵列施加电信号，像素化电极层和背板电极层限定单元；以及电活性层，该电活性层位于该单元中；其中，PIC层包括耦接到该波导阵列的耦出器阵列，该耦出器阵列用于使照明光的多个部分通过背板电极层、电活性层和像素电极阵列耦出。

电活性层可以包括液晶。

耦出器阵列可以包括形成在波导阵列中的光栅。

光栅可以是倾斜的，以提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

耦出器阵列可以包括纳米结构阵列，该纳米结构阵列用于提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

照明光可以包括多个颜色通道。波导阵列的每个波导可以被配置成传送多个颜色通道中的每个颜色通道。耦出器阵列的每个耦出器可以被配置成以基本上相同的主光线角度耦出多个颜色通道中的每个颜色通道。

该波导阵列可以包括多个子阵列。每个子阵列可以被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。

该波导阵列可以包括多个子阵列，每个子阵列耦接到用于照明像素电极阵列的特定几何区域的分束器。

根据第三方面，提供了一种制造自发光显示面板的方法，该方法包括：在牺牲基板上形成电子电路层，该电子电路层包括像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列；将第一基板结合到电子电路层；去除牺牲基板；设置光子集成电路(PIC)层，该PIC层包括波导阵列和耦出器阵列，该波导阵列用于引导照明光，该耦出器阵列耦接到波导阵列，该耦出器阵列用于耦出照明光的多个部分；通过设置与第一基板处于固定间隔关系的第二基板来形成单元，第二基板支承背板电极层，其中，像素化电极层面向该单元，并且其中，在运行中，照明光的多个部分传播穿过像素电极阵列；以及用电活性材料填充该单元。

PIC层可以形成在第一基板上，并且在形成单元后，PIC层可以面向该单元。

电子电路层可以设置在PIC层与电活性材料之间。

PIC层可以形成在第二基板上，并且在形成单元后，PIC层可以面向该单元。

附图说明

现在将结合附图描述各示例，在附图中：

图1A是自发光显示面板的侧视剖视图，所述自发光显示面板包括在硅基板的电子电路层上形成的光子集成电路层；

图1B是图1A的自发光显示面板的照明波导和过孔区域的三维局部视图；

图2是自发光显示面板的侧视剖视图，该自发光显示面板包括光子集成电路层，该光子集成电路层由透明基板上的电子电路层支承；

图3是自发光显示面板的侧视剖视图，该自发光显示面板包括电子电路层，该电子电路层由基板上的光子集成电路层支承；

图4是自发光显示面板的侧视剖视图，该自发光显示面板包括光子集成电路和位于相对基板上的电子电路层；

图5是在透明基板上制造电子电路层、以及基于此制造自发光显示器的方法的流程图；

图6A和图6B是基于图1A、图1B和图2至图4的自发光显示面板在没有主光线工程(图6A)和具有主光线工程(图6B)情况下的近眼显示器的示意图；

图7A至图7D是本公开的自发光显示面板的光子集成电路的光栅耦出器的各种示例的侧视剖视图；

图8A是本公开的自发光显示面板的光子集成电路的耦出器的倾斜光栅示例的俯视图；

图8B是可用于本公开的自发光显示面板的光子集成电路中的、具有基于纳米结构的主光线角度控制的光栅耦出器的侧视剖视图；

图8C是本公开的自发光显示面板的、自发光显示面板的光子集成电路的耦出器的纳米天线示例的俯视图；

图9A至图9C是本公开的自发光显示面板的彩色照明构造的示意图；

图10是光子集成电路的俯视示意图，该光子集成电路被配置用于本公开的显示面板的分区照明；

图11是本公开的具有一副眼镜的形状要素的近眼显示器的视图；以及

图12是本公开的头戴式显示器(head-mounted display，HMD)的三维视图。

具体实施方式

虽然结合各种实施例和示例来描述本教导，但是本教导并不旨在限于这些实施例。相反，正如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种可替代方案和等同物。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。此外，意在使这种等同物既包括目前已知的等同物，也包括未来开发的等同物，即所开发的执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。

如本文所使用的，术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个元件与另一个元件区分开，有明确说明的除外。类似地，除非明确说明，否则这些方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。在图1A、图1B以及图2至图4中，类似附图标记表示类似的元件。

分辨率、功耗和形状要素是AR显示器的重要性能要素。微型发光二极管(μLED)显示器具有高亮度的优点，但是这种显示器的效率随着像素尺寸的减小而迅速下降。此外，由于红色LED和蓝色LED/绿色LED需要不同的材料，因此实现单面板全彩色μLED显示器可能具有挑战性。因此，彩色显示器应用可能需要使用三个独立的μLED投射器，这导致光引擎的尺寸和重量增至三倍。另一种方法是使用由激光器或超辐射发光二极管(superluminescentlight-emitting diode，SLED)产生的2D扫描光束照射到微机电系统(microelectromechanical system，MEMS)扫描反射器上。然而，驱动器和图形处理控制器相当复杂且耗能，并且总体可实现的分辨率可能受到扫描镜尺寸的限制。

基于向列型硅基液晶(liquid crystal on silicon，LCoS)或铁电硅基液晶(ferroelectric liquid crystal on silicon，FLCoS)的微型显示面板为可用于近眼显示器(例如，虚拟现实显示器或增强现实显示器)的光引擎提供了替代解决方案。随着新型铁电液晶材料的发展，像素尺寸小于1.5μm(低至350nm)成为可能。然而，与发射型显示器不同，(F)LCoS显示器需要额外的照明光学器件(例如，偏振分束器)，这会增加系统的尺寸和重量。

(F)LCoS显示面板的后一种限制可以通过将照明电路直接集成到(F)LCoS基板上来得以克服。可以在互补金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)芯片的集成电路层上设置光子集成电路(PIC)层，从而提供自发光显示面板。此外，PLC技术可适用于提供所谓的主光线工程能力。PLC技术可以用于将由每个像素发射的光束的主光线导向公共准直元件，使得显著减小了整体尺寸和/或渐晕损耗(vignetting loss)，并提高了显示装置的整体电光转换效率(wall plug efficiency)。此外，PIC技术可以提供诸如显示面板的分区照明等特征，以获得更高的感知对比度并节能。此外，可以采用CMOS技术来为电路提供基本透明的像素区域，从而提供更多种类的CMOSPLC照明构造，并打开通向透明或半透明自发光显示器的道路。

根据本公开，提供了一种自发光显示面板，该自发光显示面板包括：第一基板；光子集成电路(PIC)层，该PIC层由该第一基板支承，该PIC层包括用于引导照明光的波导阵列；电子电路层，该电子电路层由PIC层支承；以及像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列。电子电路层被配置用于向像素电极阵列施加电信号。PIC层包括耦接到波导阵列的耦出器阵列，该耦出器阵列用于使照明光的多个部分通过电子电路层并通过像素电极阵列耦出。

该自发光显示面板还可以包括：第二基板，该第二基板与第一基板相对；背板电极层，该背板电极层由第二基板支承，像素化电极层和背板电极层限定了单元；以及电活性层，该电活性层位于该单元中。在运行中，照明光的多个部分可以依次传播穿过电子电路层、像素电极、电活性层、背板电极和第二基板。电活性层可以包括液晶。

在一些示例中，耦出器阵列包括形成在波导阵列中的光栅。光栅可以是倾斜的，以提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。在一些示例中，耦出器阵列包括纳米结构阵列，该纳米结构阵列用于提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

在照明光包括多个颜色通道的示例中，波导阵列的每个波导可以被配置成传送该多个颜色通道中的每个颜色通道。耦出器阵列的每个耦出器可以被配置成以基本上相同的主光线角度耦出多个颜色通道中的每个颜色通道。在一些示例中，波导阵列包括多个子阵列，并且每个子阵列可以被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。

根据本公开，提供了一种自发光显示面板，该自发光显示面板包括：相对的第一基板和第二基板；光子集成电路(PIC)层，该PIC层由第一基板支承，该PIC层包括用于引导照明光的波导阵列；背板电极层，该背板电极层由PIC层支承；电子电路层，该电子电路层由第二基板支承；像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列，其中，电子电路层被配置用于向像素电极阵列施加电信号，像素化电极层和背板电极层限定了单元；以及电活性层，该电活性层位于该单元中。PIC层可以包括耦接到波导阵列的耦出器阵列，该耦出器阵列用于使照明光的多个部分通过背板电极层、电活性层和像素电极阵列耦出。电活性层可以包括液晶。

在耦出器阵列包括形成在波导阵列中的光栅的示例中，光栅可以是倾斜的，以提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。在一些示例中，耦出器阵列包括纳米结构阵列，该纳米结构阵列用于提供照明光的多个部分的、在空间上从一个像素电极到另一个像素电极变化的主光线角度。

在照明光包括多个颜色通道的示例中，波导阵列的每个波导可以被配置成传送该多个颜色通道中的每个颜色通道。耦出器阵列的每个耦出器可以被配置成以基本上相同的主光线角度耦出多个颜色通道中的每个颜色通道。

在波导阵列包括多个子阵列的示例中，每个子阵列可以被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。每个子阵列可以耦接到用于照明像素电极阵列的特定几何区域的分束器。

根据本公开，还提供了一种制造自发光显示面板的方法。该方法包括：在牺牲基板上形成电子电路层，该电子电路层包括像素化电极层，该像素化电极层包括像素电极阵列；将第一基板结合到电子电路层；去除牺牲基板；设置光子集成电路(PIC)层，该PIC层包括波导阵列和耦出器阵列，该波导阵列用于引导照明光，该耦出器阵列耦接到该波导阵列，该耦出器阵列用于耦出照明光的多个部分；通过设置与第一基板处于固定间隔关系的第二基板来形成单元，该第二基板支承背板电极层，其中，像素化电极层面向该单元，并且其中，在运行中，照明光的多个部分传播穿过像素电极阵列；以及用电活性材料填充单元。

PIC层可以形成在第一基板上，并且在形成单元后，PIC层面向该单元。电子电路层可以设置在PIC层与电活性材料之间。PIC层可以形成在第二基板上以在形成单元后面向该单元。

现在参考图1A，自发光显示面板100包括电子电路层102，该电子电路层由第一基板104支承，该电子电路层例如是形成在硅基板上的CMOS电路层。电子电路层102可以包括电子栅极(electronic gate)103，这些电子栅极用于独立控制显示面板100的各个像素。显示面板100的像素由像素化电极层106限定，该像素化电极层包括像素电极107阵列。

光子集成电路(PIC)层108可以形成在电子电路层102上、设置在该电子电路层上和/或由该电子电路层支承。PIC层108可以包括波导109阵列，例如在像素电极107阵列下运行的单模波导或少模脊型波导，并且该波导阵列被配置用于引导由可选半导体光源112发射的照明光110，该可选半导体光源光学地耦接到波导109。在本文中，术语“少模波导”指的是支持多达12个横向传播模式的波导。半导体光源112可以是例如超辐射发光二极管、激光二极管或这类二极管的阵列。PIC层108支承像素化电极层106。

PIC层108可以包括耦出器111阵列，例如光学地耦接到波导109阵列的光栅耦出器，该耦出器阵列用于使照明光110的多个部分110A通过像素电极107阵列耦出，从而为显示面板100提供自发光能力。在本文中，术语“自发光(self-lighting或self-lit)”是指显示面板的像素由内部照明结构或内部导光结构从内部照明，这与需要外部光源从外部将光照射到面板上来运行的反射式或透射式显示面板相反。耦出器111相对于像素电极107配准，例如一个耦出器111可以设置在一个像素电极107正下方。

在图1A所示的示例中，显示面板100包括第二基板120和背板电极层122，该第二基板与第一基板104相对设置，该背板电极层由第二基板120支承。像素化电极层106和背板电极层118限定了单元116，该单元通常为1微米至9微米厚的平面平行单元。电活性层124(例如，向列型液晶流体层或铁电液晶流体层)可以填充单元116。电活性层124是响应于由像素化电极层106和背板电极层118施加的电场的。在本文中，术语“响应于电场”是指电活性层124通过电场的施加而改变其性质，该性质影响照明光110的多个部分110A的光学性质(例如，偏振态)。

第二基板120对于照明光110的多个部分110A是透明的。在图示的示例中，PIC层108设置在电子电路层102与像素化电极层106之间，并且将这两个层电隔开。为了将电子栅极103与相应的像素电极107电耦接，可以设置导电过孔114阵列，从而允许电子电路层的栅极103向相应的像素电极107施加电信号。如图1B中最佳所见，过孔114阵列可以从电子电路层102延伸，在阵列的各波导109之间穿过PIC层108，并以足够大以基本上不干扰波导109和耦出器111的光学功能的距离延伸到像素电极107阵列。

在运行中，由耦出器111从波导109耦出的、照明光的多个部分110A依次传播穿过像素电极107、电活性层124、背板电极层122和透明的第二基板120。各部分110A的光学性质(例如，其偏振态)可以通过向栅极103施加信号以空间选择性的方式来控制，各栅极103通过过孔114与相应的像素电极107电耦接，以改变施加到电活性层124的相应部分的局部电场。可以通过下游偏振器(为了简洁起见未示出)将耦出的、照明光的多个部分110A的空间变化偏振态转换为光功率密度分布(optical power density distribution)。照明光的多个部分110A的光功率密度分布对应于由显示面板100显示的图像。

参考图2，自发光显示面板200类似于图1的自发光显示面板100，并且包括类似的元件。图2的自发光显示面板200包括：电子电路层102，该电子电路层由透明的第一基板204支承，该透明的第一基板例如为玻璃、蓝宝石、晶体等；PIC层108，该PIC层位于电子电路层102上；像素化电极层106，该像素化电极层位于PIC层108上，其中，如上所述，过孔114将像素化电极层106通过PIC层108电耦接到电子电路层102。由像素化电极层106和背板电极层118限定的单元116填充有电活性层124。第二基板120支承背板电极层118，该背板电极层包括背板电极122。

可以去除像素电极107下方的、位于各电子栅极103之间的区域202中的不透明的基板材料，使得第一基板204与电子电路层102对于像素电极107区域中的入射光是透明的。透明的基板204和透明的电子电路层102使得自发光显示面板200能够用于各种应用中，例如但不限于，用于增强现实(AR)应用中，在增强现实应用中，由照明光110的耦出的多个部分110A形成的图像光需要与来自周围环境的外部光进行组合。下面将进一步考虑在透明的基板204上制造电子电路层102的方法。

转向图3，自发光显示面板300类似于图2的自发光显示面板200，并且包括类似的元件。在图3的自发光显示面板300中，由第一基板204支承的层堆置体中的电子电路层102和PIC层108的位置被交换，即透明的第一基板204支承PIC层108，PIC层108进而支承电子电路层102。这种构造不需要过孔，因为像素化电极层106可以与电子电路层102直接耦接，从而允许电子电路层的各栅极103向相应的像素电极107施加电信号。因此简化了整体结构，因为过孔制造为制造过程增加了许多步骤。

在运行中，由耦出器111阵列从波导109耦出的、照明光的多个部分110A依次传播穿过电子电路层102(具体地，穿过对照明光的多个部分110透明的区域202)、像素化电极层106、电活性层124、背板电极层118，穿过第二基板120然后离开自发光显示面板300。准直器(为了简洁起见，未示出)可以接收照明光的多个部分110A，并将自发光显示面板300显示的线性域中的图像转换成角域中的图像。在本文中，术语“角域中的图像”指的是这样图像：在所述图像中，线性域或空间域中的图像的不同元素(即，由显示面板显示的图像的像素)由图像光的对应光线的角度表示，这些光线承载与图像像素的亮度和/或颜色值相对应的光焦度水平和/或颜色组成。

现在参考图4，自发光显示面板400类似于图3的自发光显示面板300，并且包括类似的元件。在图4的自发光显示面板400中，电子电路层102被移动到另一个基板；换句话说，第一基板204支承PIC层108，该PIC层支承背板电极层118，而第二基板120支承电子电路层102，该电子电路层支承像素化电极层106(在图4中倒置显示)。像素化电极层106和背板电极层118限定了单元116，其中，电活性层124设置在单元116中，如先前的示例中那样。

在运行中，由多个耦出器111从波导109耦出的、照明光的多个部分110A依次传播穿过背板电极122、电活性层124、像素电极107、电子电路层102(更具体地，穿过透明的区域202)和透明的第二基板120，并且进一步到准直/成像光学器件(未示出)。

转到图5，制造本公开的自发光显示面板的方法500包括：在牺牲基板上形成(502)电子电路层，例如，在硅基板上形成CMOS电子电路层。根据预期显示运行的需要，电子电路层可以包括像素控制栅极、连接件、过孔、包括像素电极阵列的像素化电极层等。将形成的电子电路层从该电子电路层的相反侧结合(504)到第一基板，该第一基板例如为玻璃或蓝宝石透明基板。然后，通过例如蚀刻来去除(506)牺牲基板。

可以清除(508)来自像素化电极下方的不透明材料，并且所得到的结构可以被回填或平坦化(510)以形成透明的区域，这些透明的区域例如为图2的自发光显示面板200、图3的自发光显示面板300或图4的自发光显示面板400的像素电极下方的区域202。然后可以设置(512)PIC层。PIC层可以设置在经平坦化的电子电路层(图5中的“EC层”)上，例如如图3中的自发光显示面板300中那样。电子电路层可以被置于单元的另一基板上，例如如图4的自发光显示面板400中那样。所形成的PIC层可以包括波导阵列和耦出器阵列，该波导阵列用于引导照明光，该耦出器阵列耦接到该波导阵列，该耦出器阵列用于耦出照明光的多个部分，如上面参考图1至图4所解释的。然后，可以通过设置与第一基板处于固定间隔关系的第二基板来形成(514)单元，该第二基板支承背板电极层。该单元由面向该单元的电极限定，如图1至图4的显示面板中那样。然后，可以使用诸如向列型或铁电LC流体等电活性材料填充(516)该单元。

在一些示例中，例如在图2的自发光显示面板200中、以及在图3的自发光显示面板300中，PIC层形成在第一基板上，从而在形成单元后面向该单元。在这样的示例中，电子电路层可以设置在PIC层与电活性材料之间。在一些示例中，当形成单元后，PIC层可以形成在面向该单元的第二基板上，例如如图4的自发光显示面板400中那样。

由具有波导阵列和耦出器阵列的PIC结构所提供的自发光特性使得能够将各个耦出的照明光部分的主光线引导到预定位置，例如引导到诸如准直器透镜等准直元件的位置，即所谓的主光线工程。在本文中，术语“主光线”是指与代表光束的光线扇中的其它光线相比，携带大部分发射光能的光线。需要注意的是，本文所定义的术语“主光线”不一定传播穿过光学系统的中心。

参考图6A的非限制性说明性示例，以局部视图示出的显示装置650A包括自发光显示面板600A，该自发光显示面板光学地耦接到准直器630。自发光显示面板600A包括由相应的像素电极限定的像素阵列，如上文参考图1A的自发光显示器100、图2的自发光显示器200、图3的自发光显示器300和图4的自发光显示器400所描述的那样。每个像素发射要由公共准直器630准直成准直光束的光锥。准直器630设置在距自发光显示面板600A一个焦距的位置处。换句话说，自发光显示面板600A设置在准直器630的焦平面632中。准直射束相对于X轴的角度取决于发射像素的x坐标。例如，自发光显示面板600A的像素601A发射光锥或发散光束602A，该光锥或发散光束被准直器630准直成与X轴成角度β的准直射束604A。

自发光显示面板600A的每个像素发射光锥，这些光锥的主光线垂直于自发光显示面板600A的平面或XY平面，即主光线与XY平面之间的角度α等于90度。换句话说，由像素发射的大部分光能沿着Z轴传播，如虚线606所示的那样。可以看到，外光线(在准直器630的每侧的两条外光线)被截断(clip)并且没有传播穿过准直器630，因为在该示例中，准直器630小于自发光显示面板600A。这将导致自发光显示面板600A显示的图像渐晕。

现在转到图6B，显示装置650B包括自发光显示面板600B，该自发光显示面板光学地耦接到准直器630。自发光显示面板600B包括由相应的像素电极限定的像素阵列，如上文参考图1A的自发光显示器100、图2的自发光显示器200、图3的自发光显示器300和图4的自发光显示器400所描述的那样。每个像素发射要由公共准直器630准直的光锥，该公共准直器设置在距自发光显示面板600B一个焦距的位置处。准直射束相对于X轴的角度取决于像素的x坐标。例如，自发光显示面板600B的像素601B发射光锥或发散光束602B，该光锥或发散光束被准直器630准直成与X轴成角度β的准直射束604B。由自发光显示面板600B的不同像素发射的发散光束的主光线角度取决于X坐标，以将主光线导向准直器630。例如，发散光束602B是倾斜的，而不是如图6A所示的那样是直的。这使得能够避免或显著减少由自发光显示面板600B显示的图像的渐晕。还应注意，在第一近似中，准直射束604B的角度β不会受到主光线的倾斜角度α的影响，因为该角度β仅取决于像素坐标。可以通过配置与波导109阵列耦接的耦出器111阵列(图1A、图2、图3和图4)来实现由自发光显示面板600B的像素发射的光束的主光线的期望引导，该耦出器阵列用于以在空间上从一个像素电极107到另一个像素电极变化的主光线角度、通过像素电极107阵列耦出照明光110的多个部分110A，例如使所有光线穿过准直器。还需要注意的是，耦出器111还可以被配置成控制照明光的耦出的多个部分的发散光束602B的锥角度，即所发射的光锥602B的角宽度。

现在将介绍用于本公开的自发光显示面板中的任何自发光显示面板的耦出器111的非限制性示例。这些构造可以用于主光线工程，并且可以针对均匀照明、出射光瞳控制等进行优化。首先参考图7A，耦出器711A包括光栅结构702A，该光栅结构被蚀刻在PIC层的脊型波导的芯部704中。可以选择光栅结构702A的周期或间距(pitch)，从而以期望的耦出角度朝向电活性层耦出照明光的多个部分。可以在空间上改变光栅结构702A的刻蚀深度，以提供在空间上变化的耦出效率。

在图7B中，耦出器711B包括光栅结构702B，该光栅结构由间隔层706支承，该间隔层由脊型波导的芯部704支承。可以选择光栅结构702B的周期或间距，从而以期望的耦出角度朝向电活性层耦出照明光的多个部分。间隔层706的厚度可以在空间上变化以提供在空间上变化的耦出效率。

现在参考图7C，耦出器711C类似于图7A的耦出器711A。图7C的耦出器711C包括倾斜的光栅结构702C，该倾斜的光栅结构被蚀刻在PIC层的脊型波导的芯部704中。光栅结构702C的倾斜使得进入选定衍射级的光能的量能够被改变(增加或减少)。

转到图7D，耦出器711D类似于图7C的耦出器711C。图7D的耦出器711D包括二元倾斜的光栅结构702D，该二元倾斜的光栅结构被蚀刻在PIC层的脊型波导的芯部704中。可以通过一系列直刻蚀步骤来获得二元倾斜的光栅结构702D。在图7A至图7D中，光栅结构702A至702D可以设置在相应的脊型波导的顶部和/或底部。光栅结构702A至702D的间距可以被啁啾以控制锥角，即耦出的照明光的多个部分的角展度。

现在参考图8A，耦出器811A类似于图7A的耦出器711A，并且包括类似的元件。蚀刻在PIC层的脊型波导的芯部804中的光栅结构802A在PIC层的平面(即，在XY平面)中倾斜，以将对应的耦出的照明光部分的主光线重定向在垂直于芯部804的方向上，例如朝向准直器，以减少渐晕并提高光利用效率，如上面参考图6A和图6B所解释的那样。更一般地，蚀刻的光栅结构可以在两个平面中倾斜，即在图7C的垂直于PIC层平面(XY平面)的平面(XZ平面)中以及在图8A的平面(XY平面)中倾斜，以在两个正交方向上重定向主光线。蚀刻的光栅结构802A也可以被啁啾以用于锥角控制。

参考图8B，耦出器811B包括：光栅802B，该光栅被蚀刻在脊型波导804中；可选的间隔层806，该间隔层由光栅802B支承；以及纳米结构808阵列，该纳米结构阵列由间隔层806支承。纳米结构808阵列可以被配置成提供所需的主光线角度、光锥宽度等。

转到图8C，耦出器811C包括纳米天线802C，该纳米天线被设置形状和大小以提供从脊型波导的芯部804耦出的照明光部分的所需的角锥宽度和主光线角度。可以选择纳米天线802C的长度L和宽度W、以及纳米天线802B的材料以提供所需的耦出强度和角度特性，这例如归因于纳米天线802C的由其几何形状和材料限定的电磁谐振。纳米天线802B可以是介电的或金属的(等离子体的)。长度L和宽度W通常小于1微米。可以设置纳米天线802C阵列，其中，该阵列的行耦接至各个脊型波导。此外，在图7A至图7D和图8A至图8C的耦出器的所有示例中，耦出器的相关参数可以在空间上变化以提供在空间上变化的主光线角度，如上面参考图6A和图6B所解释的那样。

现在将描述本公开的自发光显示面板中的PIC层的示例性彩色照明构造。图9A是PIC层908A的俯视图，该PIC层是图1A的自发光显示面板100、图2的自发光显示面板200、图3的自发光显示面板300和图4的自发光显示面板400中的任一者的PIC层108的变体。图9A的PIC层908A包括波导905A阵列，该波导阵列包括多个子阵列，每个子阵列被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。具体地，在该示例中，波导905A阵列包括用于传送红色通道的照明光的红色波导子阵列904R、用于传送绿色通道的照明光的绿色波导子阵列904G、以及用于传送蓝色通道的照明光的蓝色波导子阵列904B。红色子阵列904R、绿色子阵列904G和蓝色子阵列904B是交错的，并在公共平面(即XY平面)中彼此平行延伸，如图9A所示的那样。红色波导子阵列904R的波导包括用于耦出照明光的多个部分的多个光栅耦出器902R；绿色波导子阵列904G的波导包括用于耦出绿色照明光的多个部分的多个光栅耦出器902G；并且蓝色波导子阵列904B的波导包括用于耦出蓝色照明光的多个部分的多个光栅耦出器902B。

参考图9B，PIC层908B是图1A的自发光显示面板100、图2的自发光显示面板200、图3的自发光显示面板300和图4的自发光显示面板400中的任一者的PIC层108的变体。图9B的PIC层908B包括波导905B阵列，该波导阵列具有多个子阵列，每个子阵列被配置成承载照明光的多个颜色通道中的特定颜色通道。具体地，在该示例中，波导905B阵列包括用于传送红色通道的照明光的红色波导子阵列904R、用于传送绿色通道的照明光的绿色波导子阵列904G、以及用于传送蓝色通道的照明光的蓝色波导子阵列904B。如图所示，红色子阵列904R的波导、绿色子阵列904G的波导和蓝色子阵列904B的波导在PIC层908B中的不同z深度处一个在另一个之下地延伸。子阵列904R的波导包括用于耦出红色照明光910R的多个部分的多个光栅耦出器902R、绿色子阵列904G的波导包括用于耦出绿色照明光910G的多个部分的多个光栅耦出器902G，蓝色子阵列904B的波导包括用于耦出蓝色照明光910B的多个部分的多个光栅耦出器902B。如图所示，对同一像素进行照明的光栅耦出器902R、902G和902B一个在另一个之下地设置。

转到图9C，PIC层908C是图1A的自发光显示面板100、图2的自发光显示面板200、图3的自发光显示面板300和图4的自发光显示面板400中的任一者的PIC层108的变体。图9C的PIC层908C包括波导905C阵列，每个波导905C包括颜色非选择性耦出器902阵列。每个颜色非选择性耦出器902被配置成以基本上相同的主光线角度耦出多个颜色通道(即，红色照明光910R、绿色照明光910G和蓝色照明光910B)中的每个颜色通道。颜色非选择性耦出器的示例在Shipton等人的美国专利第10,877,214B2号中给出，该美国专利以其全部内容通过引用并入本文。

参考图10，PIC层1008是图1A的自发光显示面板100、图2的自发光显示面板200、图3的自发光显示面板300和图4的自发光显示面板400中的任一者的PIC层108的变体。图10的PIC层1008包括波导阵列，该波导阵列包括多个子阵列1004-1、1004-2、…、1004-N，每个子阵列耦接到用于照明像素电极1007阵列的特定几何区域的分束器1009-1、1009-2、…、1009-N。每个子阵列可以包括用于引导各个颜色通道的光的红色波导、绿色波导和蓝色波导(即，被配置用于引导红色(R)照明光、绿色(G)照明光和蓝色(B)照明光的波导)。这样的构造为自发光显示面板提供了分区照明的可能性，即，减少或者甚至切断正显示的图像的黑暗区域下的照明光的可能性，从而对于只有一部分图像是明亮的图像实现了整体节能，并且提高了整体感知的图像对比度。

在一些示例中，每个区由专用激光源或一组激光源、或更一般地半导体光源来照明，如图10所示的那样。在一些示例中，可以使用每个颜色通道单个光源，例如用于R颜色通道的光源、用于G颜色通道的光源和用于B颜色通道的光源。R、G和B颜色通道中的每个颜色通道的光源可以与一个或多个专用的片上有源PIC元件(例如，光开关或可变分光器)耦接，所述片上有源PIC元件根据图像内容在不同区之间重新分配光能。

参考图11，虚拟现实(VR)近眼显示器1100包括框架1101，该框架针对每只眼睛支承：自发光显示面板1110(例如，在本文公开的这些自发光显示面板中的任何自发光显示面板)；以及目镜或准直器1120，该目镜或准直器用于将由显示面板1110产生的线性域中的图像转换为角域中的图像，以便在适眼区1112处直接观察。显示为黑点的多个适眼区照明器1106可以围绕显示面板1110放置在面向适眼区1112的表面上。可以为每个适眼区1112提供眼睛追踪摄像头1104。

眼睛追踪摄像头1104的目的在于确定用户的双眼的位置和/或取向。适眼区照明器1106在对应的适眼区1112处照亮眼睛，从而允许眼睛追踪摄像头1104获得眼睛的图像，以及提供参考反射，即闪烁。闪烁可以用作所采集的眼睛图像中的参考点，从而通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置而有助于确定眼睛注视方向。为了避免适眼区照明器1106的光分散用户的注意力，可以使该适眼区照明器发射对用户不可见的光。例如，红外光可用于照亮适眼区1112。

转到图12，HMD 1200是AR/VR可穿戴显示系统的示例，该可穿戴显示系统包围用户的面部，以便使其更大程度地沉浸在AR/VR环境中。HMD 1200可以生成完全虚拟的3D影像。HMD 1200可以包括前部本体1202和可以固定在使用者头部周围的带1204。前部本体1202被配置用于以可靠且舒适的方式设置在用户眼睛的前方。显示系统1280可以设置在前部本体1202中，用于向用户呈现AR/VR影像。显示系统1280可以包括本文公开的这些自发光显示面板中的任何自发光显示面板。前部本体1202的侧面1206可以是不透明的或透明的。

在一些示例中，前部本体1202包括定位器1208和用于追踪HMD 1200的加速度的惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)1210，以及用于追踪HMD 1200的位置的位置传感器1212。IMU 2100为基于接收到的来自多个传感器2112中的一个或多个位置传感器的测量信号而生成表示HMD 1200的位置的数据的电子设备，该一个或多个位置传感器响应于HMD 1200的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1212的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的其它合适类型的传感器、用于IMU 1210的误差校正的一类传感器、或它们的某种组合。位置传感器1212可以位于IMU1210的外部、IMU 1210的内部、或它们的某种组合。

定位器1208由虚拟现实系统的外部成像设备来追踪，使得虚拟现实系统可以追踪整个HMD 1200的位置和取向。可以将由IMU 1210和位置传感器1212生成的信息与通过追踪定位器1208获取的位置和取向进行比较，以提高HMD 1200的位置和取向的追踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向该用户呈现合适的虚拟场景是重要的。

HMD 1200还可以包括深度摄像头组件(depth camera assembly，DCA)1211，该深度摄像头组件采集描述环绕HMD 1200的部分或全部的局部区域的深度信息的数据。可以将深度信息与来自IMU 1210的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 1200在3D空间中的位置和取向。

HMD 1200还可以包括眼睛追踪系统1214，该眼睛追踪系统用于实时确定用户眼睛的取向和位置。所获取的眼睛的位置和取向还允许HMD 1200确定用户的注视方向，并且相应地调节由显示系统1280生成的图像。可以使用所确定的注视方向和聚散角度来调节显示系统1280以减少辐辏调节冲突。如本文所公开的，方向和聚散度还可以用于显示器的出射光瞳转向。此外，所确定的聚散度和注视角度可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频系统，该音频系统包括例如内置于前部本体1202中的一组小型扬声器。

本公开的实施例可以包括人工现实系统、或者结合人工现实系统来实施。人工现实系统以某种方式调节通过感官获得的关于外部世界的感官信息(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)，之后呈现给用户。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混合现实(hybrid reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容、或与采集的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或它们的某种组合。这些内容中的任何内容可以在单个通道中或在多个频道中(例如，在向观看者产生三维效果的立体视频中)呈现。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主计算机系统的HMD)、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或者能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。

本公开的范围不受本文描述的特定实施例的限制。实际上，除了本文描述的这些实施例和修改之外，其它各种实施例和修改根据上述描述和附图对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这种其它实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文中已出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到，其实用性不限于此，并且本公开可以出于任何数量的目的在任何数量的环境中有利地实施。因此，随附的权利要求应当根据如本文所描述的本公开的全部广度来解释。