使用用于微发光二极管的光提取配置的显示系统

相关申请

本申请要求于2021年6月22日提交的美国临时专利申请No.63/254,967、于2021年6月22日提交的美国临时专利申请No.63/213,566和于2021年6月22日提交的美国临时专利申请No.63/213,574的优先权权益。前述申请中的每个申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

本公开的方面总体上涉及发光二极管(LED)，并且更具体地涉及增强从微发光二极管(微LED(microLED))的光提取的组件。

发光二极管(LED)技术的最近进步已经使得能够形成并入有微LED阵列的高密度显示设备，其中每个微LED具有大约几微米到几分之一微米的发射器间距。例如，附录A公开了基于微LED的光场显示器的各种配置。

为了说明常规显示器与基于微LED的显示器之间的对比，图1示出具有发光元件125的阵列120的常规显示器110，如在插图130中更好地看到。可以是如上所讨论的传统LED的发光元件125可以全部发射相同波长的光，或者以两个或更多个波长发射的LED的图样布置(pattern)。例如，阵列120可以包括以可见光谱中的红色、绿色和蓝色波长发射并且以规则图样布置的LED。

在图1所示的示例中，发光元件125可以在显示器110的区域上以Q×P阵列布置，其中Q是阵列中发光元件125的行数，并且P是阵列中发光元件125的列数。尽管未示出，但是除了发光元件125之外，常规显示器110还可以包括背板，该背板包括被配置为选择性地向发光元件125中的一个或多个递送电力的各种电迹(trace)和电接触件。

图2示出了具有超光线像素(super-raxel)225的阵列220的光场显示器210，如第一插图230所示。此外，如第二插图240所示，每个超光线像素225包括子光线像素(sub-raxel)245。如上所述，每个子光线像素245可以是微LED。也就是说，每个超光线像素225可以在大小上与图1的发光元件125相对应，同时包括由具有几微米或甚至几分之一微米的发射器间距的微LED形成的多个子光线像素245。在图2所示的示例中，每个超光线像素225被示出为具有大致正方形的形状，每个边具有超光线像素间距227。每个超光线像素225可以被配置用于在单个波长范围(例如，红色、绿色或蓝色波长范围)或在颜色范围内(例如，在可见电磁波波长范围的至少一部分内)发射光。

在图2所示的示例中，超光线像素225被布置为N×M阵列，其中N是阵列中的超光线像素225的行数，并且M是阵列中的超光线像素225的列数。如图2所示，超光线像素225中的每一个包括多个子光线像素245。子光线像素245中的每一个可以包括例如以可见光谱中的红色、绿色或蓝色波长发射并且以规则图样布置的微LED。在示例中，不同颜色的子光线像素245可以单片集成在公共基板上，并且子光线像素245中的每一个微LED的大小可以在从几分之1微米至大约100微米的范围内。

图3示出了超光线像素225的光导控(steering)方面。如插图330所示，超光线像素225中的每一个可以包括用于将从该超光线像素225发射的光导控到期望位置的光导控光学元件340。在图3所示的示例中，每个光导控光学元件340被示出为具有大约是超光线像素225中的一个的大小的透镜间距(pitch)345。

虽然基于微LED的显示器实现了新的应用，但是各种改进仍然是可能的，以最大化每个微LED和显示器作为整体的性能。特别地，用于增强现实/虚拟现实(AR/VR)和其他近眼显示应用的紧凑微LED阵列需要具有高效光提取的高亮度光输出。

发明内容

以下给出了一个或多个方面的简化概述，以便提供对这样的方面的基本理解。本发明内容不是所有预期方面的广泛概述，并且旨在既不标识所有方面的主要或关键元素，也不描绘任何或所有方面的范围。其目的是以简化形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序。

在本公开的一个方面，公开了一种显示系统，其中，显示系统包括用于提供光输出的发射器系统组件。发射器系统组件包括提供第一发射光谱的第一发射器、至少部分地围绕第一发射器的腔、以及第一孔，该第一孔被配置用于使来自第一发射器的第一发射光谱的至少一部分透射穿过该孔。所述发射器系统组件进一步包括与所述第一孔光学连通的成形元件，其中，所述腔包括在所述腔内朝向所述孔反射所述第一发射光谱的反射器。

在本公开的另一方面，公开了一种发射器阵列系统。发射器阵列系统包括被配置为提供中心发射光谱的中心发射器、被配置为提供外围发射光谱的外围发射器、至少部分地围绕中心发射器的中心腔以及至少部分地围绕外围发射器的外围腔。发射器阵列系统进一步包括：中心孔，该中心孔被配置用于使来自中心发射器的中心发射光谱的至少一部分透射穿过该孔；外围孔，该外围孔被配置用于使来自外围发射器的外围发射光谱的至少一部分透射穿过该孔；中心成形元件，该中心成形元件与中心孔光学连通，其中，中心成形元件以第一角度引导中心发射光谱；以及外围成形元件，该外围成形元件与外围孔光学连通光学连通，其中，外围成形元件以第二角度引导外围发射光谱。

附图说明

附图仅示出了一些实施方式，因此不应被认为是对范围的限制。

图1示出了根据本公开的方面的具有多个像素的显示器的示例。

图2和3示出了根据本公开的各方面的具有多个像素的光场显示器的示例。

图4示出了根据本公开的方面的用于从LED提取光的一般配置。

图5-7示出了根据本公开的方面的光提取配置的示例。

图8-10示出了根据本公开的方面的用于从微LED阵列提取光的配置的示例。

图11示出了图示根据本公开的方面的用于形成用于微LED的光提取配置的过程的流程图。

图12示出了根据本公开的各方面的近眼显示系统的顶部示意图。

图13-15示出了根据本公开的方面的分别具有小透镜、光栅和棱镜的发射器阵列系统的顶部示意图。

图16A-16B示出了根据本公开的方面的发射器阵列系统的前视图。

图16C示出了根据本公开的方面的发射器阵列系统的透视图。

图17示出了根据本公开的方面的近眼显示系统的顶部示意图。

图18A-18B分别示出了根据本公开的方面的发射器阵列系统的前视图和透视图。

图19示出了根据本公开的方面的发射器阵列系统的顶部示意图。

图20示出了根据本公开的各方面的近眼显示系统的顶部示意图。

图21A-21B示出了根据本公开的方面的具有光吸收元件的发射器阵列系统的顶部示意图。

图22A-22B分别示出了根据本公开的方面的具有视差屏障和快门的发射器阵列系统的顶部示意图。

图22C-22D示出了根据本公开的各方面的具有可移动快门的近眼显示系统的顶部示意图。

图23示出了根据本公开的各方面的均匀远心近眼显示器的顶部示意图和两个详细视图。

图24示出了根据本公开的方面的具有均匀主光线偏斜配置的光学系统的顶部示意图。

图25示出了根据本公开的方面的具有超远心主光线偏斜配置的光学系统的顶部示意图。

图26示出了根据本公开的方面的具有超远心主光线偏斜配置的发射器阵列系统的前视图。

图27示出了根据本公开的各方面的具有超远心主光线偏斜配置的近眼显示系统的顶部示意图。

图28示出了根据本公开的方面的具有会聚主光线偏斜配置的光学系统的顶部示意图。

图29示出了根据本公开的方面的具有会聚主光线偏斜配置的发射器阵列系统的前视图。

图30示出了根据本公开的各方面的具有会聚主光线偏斜配置的近眼显示系统的顶部示意图。

图31A-31B示出了根据本公开的方面的具有非均匀衍射结构的发射器阵列系统的局部顶部示意图。

图32A和32B示出了根据本公开的方面的具有显示系统和波导的光学系统的透视示意图。

图33A和33B分别示出了根据本公开的方面的发射器阵列面板的前视图和顶视图。

图33C和33D分别示出了根据本公开的方面的发射器阵列面板的前视图和顶视图。

图34A和图34B示出了根据本公开的方面的发射器阵列面板的中心和外围详细视图。

图34C和34D示出了根据本公开的方面的发射器阵列面板的实施例。

图35示出了根据本公开的方面的细长投影仪透镜的示例。

具体实施方式

下面结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，并且不旨在表示可以实践本文描述的概念的仅有配置。出于提供对各种概念的透彻理解的目的，详细描述包括具体细节。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出了众所周知的部件，以避免模糊这样的概念。

为了有效地利用微LED的小尺寸和高效率，应当提取由每个微LED产生的尽可能多的光。因此，期望新的配置用于改进由微LED产生的光的提取。

图4示出了用于改进来自诸如微LED的光发射器的光提取的示例性配置。如图4所示，发射器系统400包括用于生成光发射的发射器410。例如，发射器410可以是基于量子阱(QW)技术的常规LED或微LED，或另一种类型的小型光发射器。发射器410被LED腔420包围。光学扩展量门(etendue gate)430为来自发射器410的光提供空间孔以朝向模式匹配光学器件440释放。模式匹配光学器件440被配置用于使来自LED腔420的光成形为与特定应用的要求相匹配的输出450，诸如用于投影仪设备。

更具体地，LED腔420可以包括例如用于容纳由发射器410产生的光的高反射率表面。LED腔420的几何形状可以针对特定应用进行定制，以为通过光学扩展量门430的光学耦合提供最优几何形状。注意，尽管称为“腔”，但是LED腔420可以填充有除了空气之外的材料，诸如固态半导体(诸如氮化镓)或大体上透射由发射器410发射的光的另一材料(诸如绝缘体)。

光学扩展量门430可以是固定的或可调节的空间孔，用于将光有效地耦合出LED腔420与模式匹配光学器件440。光学扩展量门430可以进一步包括例如滤光器，该滤光器用于穿过其选择性地透射具有特定特性的光，诸如在入射角、偏振状态、波长、谐振腔模式和其他光学特性的特定范围内入射在光学扩展量门430处的光。例如，光学扩展量门430可以包括用于在存在外部光的情况下增强显示对比度的一个或多个非反射、低反射或抗反射层。作为示例，发射器系统400的阵列可以形成为显示器，每个发射器系统产生促成由显示器产生的图像的光。在这样的显示器中，如果存在引入到显示器中的外部光，那么每个光学扩展量门430可以反射外部光以便削弱由显示器产生的图像。可以通过在光学扩展量门430处并入一或多个非反射、低反射或抗反射层使得到达光学扩展量门430的任何外部光可以集成到LED腔420中来减少这样的不期望效果。

模式匹配光学器件440可以包括以成像或非成像配置布置的一个或多个折射、反射或衍射光学器件。模式匹配光学器件440可以被定制用于提供匹配特定应用的接受光场的输出450。例如，如果发射器系统400旨在提供在投影仪中使用的光发射，诸如用于增强现实(AR)或虚拟现实(VR)耳机，则模式匹配光学器件440可以被配置用于将透射通过光学扩展量门430的光转换成最优地匹配投影仪的接受标准的输出450。同样，非反射、低反射或抗反射层可以被并入到模式匹配光学器件440中以减少外部光引入到发射器系统400中的影响。

在可替代实施例中，如图5所示，发射器系统500的光学扩展量门430和模式匹配光学器件440可以由用于漫射从发射器410发射的光的纹理化表面530代替。在该情况下，LED腔420可以被配置用于有效地将从发射器410发射的光朝向纹理化表面引导，以提供适合于在不需要准直光输出的应用中使用的光输出。

在某些情况下，利用模式匹配光学器件440的适当设计，可以减少或消除LED腔420。例如，如图6所示，发射器系统600可以包括位于用作模式匹配光学器件440的截断复合抛物线(CPC)准直器620的峰值处的发射器410。在发射器系统600的情况下，截断CPC准直器620可以为某些应用提供足够的模式匹配和成形的光输出。可替代地，如图7所示，非球面透镜740可以用作邻近发射器410形成的模式匹配光学器件440。非球面透镜740可以包括成形侧壁760，使得利用成形侧壁760的适当设计，单独的非球面透镜740，在没有腔的情况下，可以为某些应用提供适当成形的光输出。

图8示出了根据实施例的包括光提取特征的发射器阵列系统800的截面图。发射器阵列系统800包括支持例如以二维阵列布置的若干发射器810A、810B和810C的LED基板805。作为示例，发射器810A可以是被配置用于发射红色波长范围内的光的基于量子阱的微LED，发射器810B可以是被配置用于发射绿色波长范围内的光的微LED，并且发射器810C可以是被配置用于发射蓝色波长范围内的光的微LED。在另一种配置中，发射器810A、810B和/或810C可以被配置为发射相同波长范围内的光。在示例中，发射器810A、810B和810C中的每一个被反射表面815围绕，使得由该发射器发射的光在图8中被向下引导。反射表面815可以由金属(例如，铝、金、银)、电介质、电介质材料的多层膜堆叠或其任何组合形成。

继续参考图8，发射器阵列系统800进一步包括分别与发射器810A、810B和810C相邻的LED腔820A、820B和820C。LED腔820A、820B和820C可以例如用半导体(诸如GaN)或与期望波长的光透射兼容的其他材料(诸如绝缘体或透明导电氧化物)形成。LED腔820A、820B和820C在其中包括反射表面825，用于分别容纳从发射器810A、810B和810C发射的光和/或使其成形。反射表面825还可以由金属(例如，铝、金、银)、电介质、电介质材料的多层膜堆叠或其任何组合形成。例如，LED腔820A可以由优化用于将由发射器810A发射的光耦合到孔830A的腔几何形状限定，LED腔820B可以被优化用于将由发射器810B发射的光耦合到孔830B，并且LED腔820C可以被形成为与由发射器810C发射的光最佳兼容以耦合到孔830C。在另一示例中，LED腔820A、820B和820C中的两个或更多个可以彼此相同。类似地，孔830A可以与孔830B和/或830C不同，或者孔830A、830B和830C的尺寸可以相同。在示例中，孔830A、830B和830C可以与输入耦合光栅(ICG)的平面共轭地形成，诸如用作近眼显示眼镜的波导的输入端口的那些。可以根据模式耦合光学器件或来自孔的其他下游光学器件的要求来实现其他类型的吞吐量限制孔配置。此外，可选地，孔830A、830B和/或830C可以包括附加的光学属性，诸如角度、波长和/或偏振滤波能力。

在图8所示的示例中，分别通过孔830A、830B和830C从LED腔820A、820B和820C散发出的光被引导通过小透镜。小透镜840中的每一个对应于图4的模式匹配光学器件440。在图8所示的示例中，每个小透镜840被配置用于引导来自多个发射器810A、810B和810C的光。小透镜840中的每一个可以例如直接形成在背板上，或者小透镜阵列可以分离地形成，然后在形成孔和吸收涂层之后附接到背板。

小透镜840中的每一个可以通过光挡板吸收器845彼此分离。例如，光挡板吸收器845可以被配置用于减少相邻小透镜840之间的串扰。另外，孔830A、830B及830C之间的区域可以由吸收体材料847覆盖以进一步减少行进穿过小透镜840的杂散光。在示例实施例中，线870表示分界，在该分界之上，发射器810A、810B和810C、反射器815、LED腔820A、820B和820C的一部分以及反射器的形成可以作为微LED制造的一部分被形成(如箭头872所指示)。在线870下方，可以在已经完成微LED制造并且发射器和LED腔部分已经接合到背板晶片(如箭头874所示)之后执行的处理期间形成各种部件。

图9示出了根据实施例的发射器阵列系统900。发射器阵列系统900包括与图8的发射器阵列系统800相同的微LED制造侧部件。然而，孔830A、830B和830C中的每一个分别与其自己的小透镜940A、940B和940C耦合。相邻的小透镜940A、940B和940C被光挡板吸收体945分离开，并且孔830A、830B和830C之间的区域可以被吸收体材料覆盖。在此配置中，小透镜940A、940B及940C中的每一个可以被配置以用于与由发射器810A、810B及810C中的对应一个发射的光的特定波长及其他光特性耦合。

图10示出了根据实施例的发射器阵列系统1000。发射器阵列系统1000包括支持具有反射器815的相同发射器810A、810B和810C的LED基板1005，如图8所示。与图8的发射器阵列系统800相比，发射器阵列系统1000包括用于一组发射器810A、810B和810C的一个LED腔1020。LED腔1020的几何形状和反射器1025的属性可以针对从发射器810A、810B和810C发射的到孔1030并进入小透镜1040的光的最优耦合而定制。在示例中，小透镜1040可以与图8的小透镜840相同。相邻的小透镜1040可以被光挡板吸收器1045分离开，并且孔1030之间的区域可以涂覆有吸收器材料1047。

图11示出了根据实施例的用于形成上面公开的发射器阵列系统的示例性过程。过程1100开始于在发射器基板上形成发射器阵列的步骤1110。步骤1110可以包括，参考图8，形成支持在基板805上或基板805内的发射器810A、810B和810C，形成围绕发射器810A、810B和810C的反射器815，以及形成LED腔820A、820B和820C的微LED侧以及反射器825的部分。

过程1100进行到步骤1120以将发射器阵列附接到背板，然后进行到步骤1130以形成其余的LED腔和孔。例如，发射器阵列可以附接到背板，之后可以移除支持发射器阵列的发射器基板。最后，过程1100进行到步骤1140以附接小透镜以形成例如图8-10所示的结构。

如上所讨论的发射器阵列系统可以包括在各种光学和显示系统内。例如，图12示出了具有如左插图中的详细视图所示的发射器阵列系统1201的近眼显示系统1200的顶视图。发射器阵列系统1201包括设置在LED基板1205上或中的多个发射器1210(例如，微LED)。系统1201进一步包括多个腔1220，其类似于上面关于图8讨论的腔820并且被配置为从发射器1210接收光。多个小透镜1240或其他光学器件可以设置在腔1220上方，使得由发射器1220发射的光作为光束1250a离开发射器阵列系统1201。光束1250a被成形为由光束的最外光线之间的角度Ω限定的锥体1252。发射器阵列系统1201可以与一个或多个后端部件——诸如背板显示床1272和/或背板驱动器和缓冲器1274——耦合。

从发射器阵列系统1201发射的光束1250a可以行进通过发射器阵列系统1201和投影透镜1256之间的界面区1254。作为设计选择问题，界面区1254可以是具有所选择的折射率的气隙或材料层。一旦光到达投影透镜1256，设置在其中的多个光学元件1258就可以使光成形并且朝向设置在一个或多个波导1260上或中的入耦合(incoupling)元件1262来输出光束1250b。入耦合元件1262可以重定向来自光束1250b的光的一部分，使得光1250c的一部分在波导1260内行进(例如，经由全内反射)，直到其到达出耦合(outcoupling)元件1264。出耦合元件1264将光1250c的一部分重定向，使得其作为光1250d朝向用户的眼睛1268离开波导1260。因此，由发光阵列1201发射的光通过近眼显示系统中继并且对用户可见。另外，如果波导1260是透明的，则用户还可以看到穿过其中的世界光1266。因此，世界光和来自发射器阵列系统的光的至少一部分(例如，增强现实视图)可以被呈现给用户。如上所讨论，系统1200可以受益于由邻近发射器的腔提供的改进的光提取。

虽然图12示出了小透镜1240可以用于成形由发射器1210发射的光，但是其他配置也是可能的。图13-15示出了用于使由发射器1310生成并穿过腔1320和孔1330的光成形的可替代选项。图13示出了在侧面上被光挡板吸收器1345包围的小透镜1340。附加的光吸收材料可以放置在小透镜1340的基部和具有开口的腔1320之间，以允许光通过孔1330。吸收材料可以帮助防止相邻小透镜之间的串扰。图14和图15示出了可以用衍射元件1440(例如，衍射或超材料透镜)或棱镜1540替换小透镜1340。小透镜1340、衍射元件1440和/或棱镜1540可以用于聚焦和/或重定向来自发射器1310的光。图12-15所示的配置中的每个配置示出了发射器和腔与发射器和光成形元件(例如，小透镜、衍射元件、棱镜、超透镜(metalens))之间的一对一关系；然而，来自多个发射器的光可以由单个光成形元件成形，如下文将讨论的。

参考图16A，发光元件1610a-c被示出为布置成具有间歇间隙1611的六边形封装配置，以适应小透镜1640的六边形封装配置，如下文将讨论的。发光元件1610可以各自发射具有相同或不同波长的光。例如，所有发光元件1610a-c可以发射相同颜色的光；可替代地，1610a可以发射第一颜色的光(例如，红光)，1610b可以发射第二颜色的光(例如，绿光)，并且1610c可以发射第三颜色的光(例如，蓝光)。虽然元件1610被示出为六边形，但是作为设计选择问题，它们可以是任何形状，包括圆形、正方形或其他形状。

如所示，多个发光元件1610a-c可以被单个小透镜1640覆盖。小透镜1640可以围绕周边被截断(例如，从圆形形状)，以便形成六边形覆盖区。分别如图16B和16C的前视图和透视图所示，六边形小透镜有利地允许相邻小透镜嵌套到类似于发光元件1610a-c的六边形封装配置中。虽然根据设计选择问题可以选择其他小透镜形状，但是六边形可以允许最大的小透镜和/或最密集封装的小透镜布置。另外，虽然在每个小透镜下方示出了三个发光元件，但是每个小透镜可以使用更多或更少的元件。

参考图17，示出了近眼显示系统1700的顶视图。在左圆内示出了发射器阵列系统1701的详细视图。发射器阵列系统1701包括多个发光元件1710a-c，多个发光元件1710a-c被配置为将光通过相应的孔1730a-c引导到单个小透镜1740。光吸收器或挡板1745可以设置在相邻的小透镜1740之间。小透镜1740可以是球面、非球面、柱面或其他轮廓小透镜。来自每个发射器的光取决于发光元件相对于小透镜1740的位置被不同地引导。例如，来自发射器1710a的光(例如，用点线示出的光锥)由小透镜1740以向下的角度引导，并且以第一角度作为第一光束1712a离开系统1701。来自发射器1710b的光(例如，用点划线示出的光锥)可以相对于小透镜1740居中并且以第二角度(例如，垂直于小透镜1740的平坦后表面)作为第二光束1712b离开系统1701。来自发射器1710c的光(例如，用实线示出的光锥)由小透镜1740以向上的角度引导，并且以第三角度作为第三光束1712c离开系统1701。虽然描述了来自三个发射器1710a-c的光路，但是阵列1701在x和y方向上延伸，并且许多光束可以以与上面关于光束1712a-c描述的大体上相同的方式离开阵列。在一些实施例中，发光元件可以被布置成使得具有第一波长的所有光以第一角度离开阵列系统，具有第二波长的所有光以第二角度离开阵列系统，并且具有第三波长的所有光以第三角度离开阵列系统，如图17的系统视图中右侧所示。

来自发射器阵列系统1701内的激活发射器1710中的每个激活发射器的光行进通过其相应的孔和小透镜，其中光束在离开发射器阵列系统朝向投影透镜1756之前成角度，如所示。以第一角度进入投影透镜1756的光束1712a(例如，由点线表示的光束)可以全部承载相同的第一颜色光(例如，红光)。光束1712a穿过投影透镜1756并且在第一位置1714a处形成第一光瞳，第一位置1714a具有在第一坐标位置(x

多个波导1760a-c可以被配置为接收空间上分离的光束。例如，可以放置第一波导1760a，使得其上的入耦合元件1762a位于或靠近于第一坐标位置(x

在将光入耦合到不同波导中之前通过颜色在空间上分离输入光可以允许针对每个特定波长的光设计每个波导、入耦合元件和出耦合元件。因此，与将宽范围的波长入耦合到单个波导中的系统相比，整体光学系统可以产生更高质量的图像(例如，更亮、更清晰、更均匀、更少的伪影)，并且可以是更功率高效的。虽然已经关于三个波长讨论了系统，但是可以通过调整发射器阵列相对于小透镜阵列的布置来在空间上分离更多或更少的光波长。

图18A-B示出了发射器阵列系统1801的前视图和透视图。发射器阵列系统1801内的发光元件1810可以布置成类似于关于图16所讨论的六边形封装配置，然而，发射器阵列系统1801在发射器1810之间可以不具有间隙。在发光元件1810和小透镜1840之间是腔结构1870。腔结构1870可以由不透明材料形成，该不透明材料被配置为覆盖并围绕多个(例如，三元组(triad))发射器(例如，红色、绿色和蓝色发射器)。腔结构1870包括孔1871，其可以位于多个发射器的中心附近的位置处，使得由发射器1810中的每个发射器发射的光的大体上相等的部分穿过孔1871。来自多个发射器的光在孔1871处组合，并且在一些实施例中，可以在孔的输出处取决于发射器激活而产生白光或不同颜色的光。孔1871被示出为六边形，然而，作为设计选择问题，可以使用诸如圆形的其他形状。形成腔结构的不透明材料可以是内部反射材料和外部吸收材料的双层(例如，以减少散射和串扰)。可以使用各种材料，包括金属、碳基和电介质材料。

多个小透镜1840设置在腔上并且被配置为接收通过孔1871发射的光。如图18A所示，每个小透镜1840可以通过两个相邻的孔1871接收光。小透镜1840被截断(例如，从圆形形状)成阵列布置的球面小透镜，使得两个孔中的每一个在等分小透镜1840的第一轴1843上对准，并且使得两个孔中的每一个在与第一轴正交的方向上等分小透镜1840的第二轴1847。第一轴和第二轴的交点可以是球面小透镜的顶点。

图19示出了具有类似于发射器阵列系统1801的结构的发射器阵列系统1901的顶视截面图。系统1901包括发射器1910、腔结构1970、孔1930和小透镜1940。光挡板吸收器1945可以设置在孔1930和小透镜1940之间，以减少离开两个孔的第一光束1950a和第二光束1950b之间的串扰。孔1930可以与小透镜1940的轴1947等距，并且可以相对于小透镜的顶点偏移。这样的位置允许来自第一孔的第一光束1950a以第一角度被引导，并且来自第二孔的第二光束1950b在与小透镜1940相互作用之后以第二角度被引导。因此，系统1901可以在空间上将光与相邻的发光元件组分离。这样的系统可以具有如图20所示的优点。近眼显示系统2000被示出为具有如图19所示的发射器阵列系统1901。为了清楚起见，示出了来自单个小透镜的第一光束1950a和第二光束1950b，同时从图中省略了来自阵列中的其他小透镜的光。光束1950a、1950b朝向投影透镜2056行进，投影透镜2056分别在第一位置2014a和第二位置2014b处形成第一光瞳和第二光瞳。第一位置和第二位置在x方向上侧向偏移。具有第一入耦合元件2062a和第二入耦合元件2062a的第一和第二波导2060a、2060b可以被定位成使得第一和第二入耦合元件被配置成分别接收第一和第二光束。来自第一光束1950a的光被入耦合到第一波导中并且朝向出耦合元件行进(例如，通过TIR)，在该出耦合元件处，光被从波导提取并且被引导朝向用户的右眼2068a。类似地，来自第二光束1950b的光被入耦合到第二波导中并且朝向出耦合元件行进(例如，通过TIR)，在该出耦合元件处，光被从波导提取并且被引导朝向用户的左眼2068b。因此，通过致动每个小透镜的一组发光元件以显示右图像光，并且通过致动与同一小透镜相关联的另一组发光元件以显示左图像光，系统1901可以同时生成分离的左图像和右图像。左图像和右图像可以是相同或不同的图像。光吸收器2045可以设置在第一波导和第二波导之间，以防止来自第一光束的光到达第二波导，反之亦然。

创建两个不同的图像(例如，一个用于左眼，一个用于右眼)在创建增强现实(“AR”)近眼显示系统时可能是重要的。在一些系统中，通过使用两个分离的发射器阵列和投影透镜组件来创建不同的图像。该方法增加了整体系统的大小、重量和成本。可替代地，如果仅使用单个发射器阵列和投影透镜组件(例如，使用下面将参考图22C、22D讨论的系统)，则发射器阵列可以在投射左图像的光和投射右图像的光之间交替。由于所生成的光的仅一半被引导到每只眼睛，因此此方法可以导致系统感知到的帧速率的降低。发射器阵列系统1901提供节省空间的益处。尽管使用两倍的发射器组来生成两个分离的图像，但是六边形封装配置中的发光元件的布置允许更密集封装的发射器(例如，与正交网格相比)，使得尽管包含两倍数量的发射器组，但整体面积也少于2倍大。此外，因为每个发射器组专用于为两个分离图像中的仅一个生成光，所以不降低系统的帧速率。单个背板和驱动器电子器件组可以降低系统的功耗。可能需要最少的附加处理来组装左交错图像和右交错图像。

图21A和21B分别示出了发射器阵列系统2101a、2101b的自顶部向下的截面图。系统2101a、2101b类似于图19中所示出的系统1901，然而实施不同的串扰减轻配置。在图21A中，周边吸收器2145a、2145b从腔结构2170的顶部延伸并且覆盖小透镜2140的侧面。中心吸收器2145c从腔结构2170的顶部延伸通过小透镜2140到其顶点。中心吸收器2145c防止来自第一光束的光行进通过透镜以与第二光束出耦合，反之亦然。在图21B中，周边吸收器2145d、2145e和中心吸收器2145f从腔结构2170的顶部延伸到小透镜2140的底部。附加吸收器2147可以大体上垂直于周边吸收器2145d-f，并且可以充当孔以使第一光束和第二光束变窄，使得光束在穿过小透镜2140时进一步分离。该第二孔可以帮助限制两个光束之间的串扰。可以组合图21A和21B中所示的变型，并且可以在腔结构和小透镜周围或内部放置其他缓冲器和光吸收器，以维持第一光束和第二光束之间的分离。另外，虽然在该配置中描述了球形小透镜，但是在本公开中描述的该配置和其他配置中可以使用柱面透镜。柱面透镜的使用可以有利地减少或消除在球形小透镜中发生的衍射；然而，柱面透镜也可以导致在一个微显示器轴中的光聚集的损失。

图22A和22B分别示出了不依赖于小透镜来空间分离光束的光学系统2200a和2200b。相反，在两个系统中，孔2231用于对由发射器2210生成的发射锥进行采样，使得来自邻近发射器组(或在一些配置中为单个发射器)的光被集中在下游投影透镜(未示出)的相反输入角度上。通过省略小透镜，系统2200a、2200b可以受益于由于小透镜内的TIR反射而发生的减少的伪影、减少的边缘散射和减少的衍射。

图22A中的系统2200a包括在两个相邻的腔孔2230之间的视差屏障2233。视差屏障2233可以用于阻挡光束2212a、2212b中的每一个的一部分，使得穿过孔2231的光的部分成角度。在一些实施例中，每个光束2212a、2212b的大约一半被视差屏障2233阻挡。光的该空间分离可以用于同时创建两个不同的图像(例如，左眼的第一图像和右眼的第二图像)。

图22B中的系统2200b包括液晶或以其它方式可移动物理屏障MEMS快门2235以选择性地阻挡束2212a、2212b的部分。在顶板中，在第一时间，光束2212a、2212b的第一部分被快门2235阻挡；在底板中，在第二时间，光束2212a、2212b的第二部分被快门2235阻挡。光被阻挡的部分可以交替，使得光以相反的角度交替地引导。该时间和空间分离可以用于创建两个不同的图像(例如，左眼的第一图像和右眼的第二图像)。

图22C和22D示出了系统2200c，其包括在波导2260a、2260b上的入耦合元件2262a、2262b前面的可移动或以其他方式的动态的快门2237。快门2237可包含液晶或可移动MEMS快门。在第一时间，如图22C所示，快门2237可以处于第一位置，使得由投影透镜2256投射的光的第一部分被阻挡，而光的第二部分透射穿过其中并且碰撞(impinge)在第二入耦合元件2262b上。光的第二部分入耦合到第二波导2260b，并且在朝向用户的左眼2268b出耦合之前通过TIR传播通过波导。在第二时间，如图22D所示，快门2237被移动到第二位置，使得由投影透镜投影的光的第二部分被阻挡，同时光的第一部分透射通过打开的快门并且碰撞在第一入耦合元件2262a上。光的第一部分入耦合到第一波导2260a中，并且在朝向用户的右眼2268a出耦合之前通过TIR传播通过波导。因此，来自投影仪透镜2256的光可以被空间和时间调制以创建两个不同的图像。图22C-D中所示出的可移动快门配置可与图21A-B及22A-B中所示出的发射器阵列系统组合使用。

除了通过相对于小透镜、衍射元件、棱镜、超透镜、视差屏障(parallax barrier)或快门均匀地定位发光元件来在空间上调制输出光束之外，离开投影透镜的光瞳的位置可以通过承载作为距阵列中心的距离的函数的离开发射器阵列系统的光的角度而逐渐变化。调整由发射器阵列系统发射光的角度可以导致改变由投影透镜形成的光瞳的位置。在一些实施例中，光瞳位置的改变导致改变投影透镜的工作距离(即，投影仪透镜输出边框与光的焦点之间的距离)。在其他实施例中，来自发射器阵列的光的发射角的改变可以导致由投影透镜形成的光瞳的侧向移位。

参考图23，示出了近眼显示系统2300。系统2300包括发射器阵列系统2301、投影透镜2356和具有入耦合元件2362和出耦合元件2364的波导2360。工作距离d

发射器阵列系统2301的中心部分2303的第一详细视图在图23中的下部的圆中示出。中心发射器2310a以及腔2320a的相关联的孔2330a与中心小透镜2340a的对称轴2309a对准。因此，从发射器2310a发射通过孔2330a和通过小透镜2340a的光具有沿着小透镜2340a的轴2309a引导的主光线。在顶部圆中示出了发射器阵列系统2301的外围部分2305的第二详细视图。外围发射器2310b以及腔2320b的相关联的孔2330b也以与中心发射器对准相同的方式与外围小透镜2340b的对称轴2309b对准。阵列系统2301中从中心到外围的所有发射器和小透镜以相同方式对准，使得来自系统2301的所有光发射锥是均匀的并且具有大体上彼此平行的主光线。所有主光线也大体上垂直于发射器阵列系统面板。该配置被认为是远心发射配置，并且导致工作距离d

图24示出了跨发射器阵列系统2401具有均匀主光线偏斜(skew)的光学系统2400。点线所示的光锥是如关于图23所讨论的均匀远心发射，并且用作实线所示的主光线偏斜配置的参考。通过跨完整发射器阵列系统2401均匀地改变每个光发射锥体的角度(例如，y-z平面中的角度θ)，可以在+y方向上调整离开投影仪透镜2456的光的光瞳位置，如所示。这样的均匀的角度移位可以通过相对于发射器孔阵列侧向移位整个小透镜阵列来实现。因此，对于以角度θ进入投影仪透镜2456的光锥，来自投影仪透镜的出射光瞳的坐标位置是(x

在+/-z方向上调整出射光瞳的位置具有改变光学系统的工作距离的效果。能够定制工作距离以适合光学系统内的某些形状因子或其他几何约束是有利的。图25示出了具有发射器阵列系统2501和投影透镜2556的超远心光学系统2500。该系统被认为是超远心的，因为由实线示出的发射光锥的主光线(其中点线表示用于参考的均匀远心锥)在发射器阵列面板的中心处大体上垂直于发射器阵列面板，并且随着距发射器阵列面板的中心的距离增加，远离投影仪2556的中心线2511的角度逐渐增加。该概念在图26中示意性地示出，图26示出了发射器阵列系统2501的前视图。发射器阵列系统中的小透镜阵列发射具有主光线的光，主光线大体上被引导到阵列的中心处的页面之外，并且发射具有主光线的光，主光线在阵列的外围处最偏离发射器阵列系统2501的中心。因此，发射光锥中的主光线的角度是发射器阵列系统2501内的发射器的(x,y)位置的函数。最大主光线角度(即，发射器阵列系统的外围处的主光线角度)可以确定+z方向上的光瞳位置改变的幅度。在一些实施例中，可能存在足够大的主光线角度，其中必须增加投影仪透镜大小以便捕获来自发射器阵列系统的所有光以最小化图像边缘处的渐晕。

返回参考图25，与均匀远心情况相比，在投影仪透镜2556的出口处形成的光瞳在+z方向上移动，并且具有坐标位置(x

可以通过改变发射器和小透镜之间的相对位置来实现跨发射器阵列2501的主光线的变化角度。例如，中心孔2730a和中心发射器2710a可以与中心小透镜2740a的中心轴2709a对准，如左下圆中的详细视图所示。发射器阵列2501的外围处的发射器与小透镜之间的位置可以不同。例如，如图27的顶部圆中的详细视图所示，外围孔2730b和外围发射器2710b可以相对于外围小透镜2740b的中心轴2709b偏移一定距离，使得小透镜2740b的中心比发射器2710b的中心更靠近阵列系统的外围。当来自外围发射器2710b的光穿过偏移外围小透镜2740b时，它被重定向，使得光锥的主光线具有远离发射器阵列系统2501的中心定向的角度。发射器和小透镜之间的偏移可以随着距发射器阵列系统2501的中心的距离增加而递增地增加，以实现光瞳位置的+z方向的改变。虽然示出了每个小透镜的单个发射器，但是如关于图16至图22所描述的，具有每个小透镜的发射器组的配置也是可能的。小透镜的焦距和表面轮廓可以确定发射的立体角Ω内的光的浓度。另外，虽然示出了小透镜2740，但是可以并入光栅、超透镜、棱镜或其他微光学器件以改变主光线角度。离轴衍射结构3140的示例在图31A和31B中示出，其中衍射结构3140的间距是非均匀的并且衍射光锥，使得主光线相对于法向量3143成角度。

图28示出了具有发射器阵列系统2801和投影透镜2856的会聚主光线偏斜光学系统2800的示例。该系统被认为是会聚主光线偏斜，因为由实线示出的发射光锥的主光线(其中点线表示用于参考的均匀远心锥)在发射器阵列面板的中心处大体上垂直于发射器阵列面板，并且随着距发射器阵列面板的中心的距离增加，朝向投影仪2856的中心线2811的角度逐渐增加。该概念在图29中示意性地示出，图29示出了发射器阵列系统2801的前视图。发射器阵列系统中的小透镜阵列在阵列的中心处发射具有被引导在z方向上(即，大体上离开页面)主光线的光，并且在阵列的外围处发射具有朝向阵列的中心最偏斜的主光线的光。因此，每个发射光锥中的主光线的角度是发射器阵列系统2801内的发射器的(x,y)位置的函数。最大主光线角度(即，发射器阵列系统的外围处的主光线角度)可以确定光瞳位置在-z方向上的改变幅度。因为发射器阵列的外围处的光朝向中心向内成角度，所以可以减小投影透镜2856的大小而不切断光及使图像具有渐晕。可替代地，代替减小投影透镜的大小，可以增加发射器阵列系统的大小，使得阵列中包括更多发射器和小透镜。在该配置中，可以将更多的光角度馈送到投影透镜2856中，从而增加由光学系统2800支持的视场。

返回参考图28，与均匀远心情况相比，在投影仪透镜2856的出口处形成的光瞳在-z方向上移动，并且具有坐标位置(x

可以通过改变发射器和小透镜之间的相对位置来实现跨发射器阵列2801的主光线的变化的角度。例如，中心孔3030a和中心发射器3010a可以与中心小透镜3040a的中心轴3009a对准，如左下圆中的详细视图所示。发射器阵列2801的外围处的发射器与小透镜之间的位置可以不同。例如，如图30的顶部圆中的详细视图所示，外围孔3030b和外围发射器3010b可以相对于外围小透镜3040b的中心轴3009b偏移一定距离，使得小透镜3040b的中心比发射器3010b的中心更靠近阵列系统的中心。当来自外围发射器3010b的光穿过偏移外围小透镜3040b时，它被重定向，使得光锥的主光线具有指向发射器阵列系统2801的中心的角度。发射器和小透镜之间的偏移可以在发射器阵列系统2801的中心和外围之间递增地增加，以实现光瞳位置的-z方向的改变。虽然示出了每小透镜具有单发射器，但是如关于图16-22所描述的，每小透镜具有发射器组的配置也是可能的。另外，虽然示出了小透镜3040，但是可以结合光栅、超透镜、棱镜或其他微光学器件以改变主光线角度。离轴衍射结构3140的示例在图31A和31B中示出，其中衍射结构3040的间距是非均匀的并且衍射光锥，使得主光线相对于法向量3143成角度。

参考图32A，示出了示例光学系统3200。系统3200可以被认为是用于将光从显示器3202转移到目镜3204中的“拆分(split)”系统，因为光的引导和成形在多个阶段中发生，并且因为不同的光学形式用于两个屈光力(optical power)轴，如将在下面更详细地描述的。显示系统3202包括发射器阵列面板3206和投影透镜3208。发射器阵列面板3206可以包括光发射器(例如，微LED)阵列和发射器上方的小透镜阵列(例如，未示出的柱面小透镜，其可以是对称的或非对称的)。发射器和小透镜之间的定位在一些方面可以类似于关于会聚主光线偏斜系统2800中的发射器阵列2801讨论的配置(图28-30)。然而，发射器阵列面板3206可以在一些方面不同于发射器阵列2801。例如，由发射器阵列面板3202发射的光线可以仅在一个维度上(例如，沿着x轴)而不是在两个维度上偏斜。另外，在一些实施例中，发射器阵列面板具有细长形状(例如，具有大于高度尺寸h的宽度尺寸w)。在一些实施例中，宽度w与高度h的比率可以是大约4：1。在一些实施例中，发射器阵列面板的宽度w可以是大约20mm，并且发射器阵列面板的高度h可以是大约5mm，然而在不脱离本申请的范围的情况下，根据设计选择问题，其他尺寸和比例是可能的。

发射器阵列面板3206的细长形状在图33A和33B中进一步示出，图33A和33B分别示出发射器阵列面板的前视图和顶视图。发射器阵列面板3206可以沿着相同的轴(例如，x轴)延伸，从其发射的光线在该轴上偏斜。一维偏斜可以通过相对于下面的光发射器偏移柱面小透镜的阵列来实现，如图34A和34B所示。柱面小透镜的中心轴3234和其下的与光发射器或光发射器组相关联的孔的中心轴3236之间的偏移可以是逐渐的，使得沿着发射器阵列面板的中心线3212的偏斜最小(例如，大约为零)，如图34A所示。这允许从发射器阵列面板的中心发射的主光线3218大体上垂直于发射器阵列面板行进。如图34B所示，偏斜角度沿着发射器阵列面板的+/-x轴逐渐增加到发射器阵列面板的左边缘和右边缘处的最大偏移d

主光线的一维偏斜也在图33A和33B中示出，其中箭头表示由光发射器发射并且由发射器阵列面板内的柱面透镜引导的主光线。距发射器阵列面板3206的中心线3212最远的主光线3210以从垂直于发射器阵列面板的前表面(例如，柱面小透镜的前表面)的线测量的第一角度θ

返回参考图32A，从发射器阵列面板3206延伸的短划线表示由发射器阵列面板3206发射的一组光线3222(例如，主光线3210、3214、3216、3218和相关联的光锥)，所述光线3222以随着发射器沿x轴的位置而变化的量来向内成角度，如关于图33A-34B所讨论的。光线的轨迹不沿着发射器阵列面板的y维度变化。源自在发射器阵列面板上共享公共x坐标但具有不同y坐标的发射器的光线可以遵循大体上平行的轨迹。因此，在不使用投影透镜3208的情况下，从发射器阵列面板发射的光将不会会聚到y维度上的焦点。

来自发射器阵列面板的光线3222碰撞在投影透镜3208上。图35中详细示出投影透镜3208部件的示例。投影透镜可以包括一个或多个光学元件，诸如透镜3224。每个透镜3224可以具有与投影透镜中的其他透镜不同或相同的形状。在一些实施例中，透镜可以是柱面或环形(toroidal)透镜，使得在y-z平面中截取的横截面形状在x维度上保持恒定，而在x-z平面中截取的横截面形状沿着y维度变化。投影透镜可以不具有沿x轴的任何屈光力。因此，进入投影透镜3208的光线3222的轨迹可以根据每个光线进入光学器件3208的y坐标位置而改变。在一些实施例中，投影透镜3208可以用于在y方向上准直光锥，并且在y方向上将主光线会聚在位于距投影透镜部件距离d

由点线3226表示的离开投影透镜3208的主光线在它们碰撞在设置在波导3204上或波导3204内的入耦合光学元件3230上时在x方向和y方向两者上的会聚轨迹上。与每条主光线相关联的光锥在y方向上准直并且在x方向上聚焦在某一长距离d

图32B中示出光学系统3201的另一实施例。类似于系统3200，系统3201可以被视为用于将光从显示器3202’转移到目镜3204’中的“拆分”系统。显示系统3202’包括发射器阵列面板3206’和投影透镜3208。发射器阵列面板3206’可以包括光发射器(例如，微LED)阵列和设置在发射器上方的小透镜阵列(例如，未示出的柱面小透镜，其可以是对称的或非对称的)。光发射器阵列和小透镜阵列之间的定位使得朝向投影透镜3208’离开小透镜的光不沿着x方向偏斜。因此，光不在x维度上会聚。这分别在图33C和33D所示的发射器阵列面板3206’的前视图和顶视图中示出。离开发射器阵列面板3206’的主光线3210’、3214’、3216’、3218’在x和y维度两者上大体上彼此平行。发射器阵列、孔和小透镜阵列之间的关系可以跨整个发射器阵列面板3206’恒定，并且可以类似于图34A所示的关系。

发射器阵列面板3206’的其他配置是可能的。例如，首先参考图34C，多个微LED发射器3402可以与单个孔3236’和单个小透镜3404相关联。小透镜3404可以被定位成使得小透镜的中心线3234’在x维度上与孔3236’的中心对准。主光线(例如，光线3210’)可以以大体上垂直于发射器阵列面板3206’的角度从小透镜发射。如点线所示，与每条主光线相关联的光锥也可以被发射并且可以由小透镜3404成形，使得焦点在距小透镜的距离d

现在参考图34D，示出了发射器阵列面板3206’的另一实施例。多个微LED发射器3402可以与多个孔3236”相关联，并且多个孔3236”中的每一个可以与单个小透镜3406相关联。小透镜3406可以被定位成使得每个小透镜3406的中心线3234’在x维度上与孔3236”的中心对准。主光线可以以不同的角度从每个小透镜3406发射。在示出了三个小透镜的所示实施例中，穿过中心小透镜的光可以具有大体上垂直于发射器阵列面板3206”引导的主光线。中心小透镜的左侧和右侧的小透镜可以具有远离中心小透镜成角度的主光线。每个小透镜发射由点线表示的光锥，该光锥被成形为使得在距小透镜的距离d

一旦由点线3222’、3206’表示的来自发射器阵列系统的光到达投影仪透镜3208，投影仪透镜3208就可以用于会聚和/或准直y维度上的光，如点线3226’所示。光可以在距投影透镜的距离d

系统3200和3201提供若干优点。特别地，拆分系统实现用于最小化的、安装在前额部(brow-mounted)的显示器和投影仪的实际形状因子。这样的形状因子可以容易地集成到用户眉毛附近的一副眼镜中，而不需要庞大的框架。另外，系统3200包括大ICG，其被配置为使来自显示器和投影仪的大量光入耦合。将这样大量的光入耦合导致离开出耦合光学元件以供用户观看的图像的改进的亮度和效率。此外，由于发射器阵列面板、投影仪和入耦合光学元件的细长形状，目镜仅需要在一个方向(例如，y方向)上复制光瞳。减少出耦合光学元件的要求改进了波导目镜的效率，并且简化了光学设计和制造需求。

因此，尽管已经根据所示的实施方式提供了本公开，但是本领域技术人员将容易认识到，可以存在实施例的变型，并且那些变型将在本公开的范围内。因此，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，本领域技术人员可以进行许多修改。