CN108701437A - 非远心发射型微像素阵列光调制器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
介绍了具有非远心发射的发射型微像素空间光调制器。在唯一的方向上定向调制来自每一个多颜色微尺度发射型像素的单个光发射，以使得能够实现来自发射型空间光调制器的微像素阵列的应用特定的非远心发射图案。描述了用于使用微像素级光学器件来定向调制单个微像素的光发射的设计方法。还描述了用于制造微像素级光学器件的单片晶片级光学器件方法。具有非远心发射的发射型多色微像素空间光调制器被用来例示本发明的方法和可能应用：超紧凑图像投影仪、最小串扰3D光场显示器、多视图2D显示器和用于透视近眼显示器的定向调制的波导光学器件。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月28日提交的美国临时专利申请号62/271,637的权益。
背景技术
1. 技术领域
非远心发射空间光调制器、发射型微像素显示器、超紧凑图像投影仪、定向光调制器、多视图（multi-view）2D显示器、3D显示器、近眼显示器、平视（head-up）显示器。
2. 现有技术
空间光调制器（SLM）是一类具有通常被用作显示系统中的图像源的微尺度像素的平面阵列的光电子设备。此类光调制器通常落入下述三个不同类别之一：反射型、透射型或发射型。反射型SLM的示例包括微镜阵列设备和硅上液晶（LCoS）设备。透射型SLM的示例包括高温多晶硅液晶（HTPS）设备。发射型SLM的示例包括发射型微像素阵列设备。发射型微像素阵列设备的一个示例可以基于在美国专利号7,623,560、7,767,479、7,829,902、8,049,231、8,243,770和8,567,960中所描述的量子光子成像器或QPI®成像器以及有机发光二极管（OLED）微像素阵列设备。反射型和透射型SLM二者通常都需要外部光源来对图像进行调制，而发射型SLM生成其自己的光。一般而言，全部当前类别的SLM都对远心光进行调制；意味着经调制的光束使它们自己的主射线与光调制器像素阵列的平面相垂直。在反射型和透射型SLM的情况下，通过它们的外部光源的设计限制来规定远心光调制。远心光发射是针对具有朗伯发射分布（Lambertian emission profile）的发射型SLM（诸如基于OLED的SLM）可用的仅有选项。
适合于与本文中的实施例一起使用的示例微发射型固态发光显示元件在没有限制的情况下包括在美国专利号7,623,560、7,767,479、7,829,902、8,049,231、8,243,770和8,567,960中所描述的那些。这些SSL成像器以在具有其在单个设备中全部所需要的驱动电路的多色发射型微像素空间阵列中的高亮度为特征。在本公开的上下文内，术语“SSL成像器”在后文意图意指包括发射型微尺度固态光（SSL）发射像素的阵列的光电子设备。在下文中被简称为SSL成像器的这样的成像器的SSL发光像素通常是发光二极管（LED）或激光二极管（LD），其开-关状态受CMOS设备内包含的驱动电路控制，在该CMOS设备上形成或结合了发射型微尺度像素阵列。SSL成像器的发射型微尺度像素阵列内的像素是通过其驱动电路单独可寻址的，该驱动电路诸如是CMOS或相当的，从而使得SSL成像器能够发射在空间上、颜色上和时间上被调制的光。由SSL成像器发射的多种颜色共享同一像素光学孔径。在最适于与本文中的实施例一起使用的SSL成像器中，每个SSL成像器像素发射至少部分地准直的（或非朗伯）光，在QPI SSL成像器的情况下，具有按设计的范围从±5°到±45°的发散角度。包括SSL成像器的发射阵列的像素的大小通常在近似5-20微米的范围内，其中该设备的典型的发射表面积在近似15-150平方毫米的范围内。SSL成像器优选地可以被设计有位于其发射型像素阵列区域与设备物理边缘之间的最小间隙，从而允许包括QPI成像器的许多SSL成像器被倾斜来产生任何任意大小的发射型显示区域。
尽管全部当前类别的SLM优选地对远心光进行调制，但是存在太多要从非远心光发射SLM来获得。由于反射型和透射型SLM的非远心光调制能力受限于它们的外部光源，并且发射型基于OLED的SLM不能凭借其朗伯光发射分布来实现非远心光发射，因此具有发射了准直（或非朗伯）光的其发射型多色微像素的SSL成像器唯一地有资格来实现非远心光调制。因此，本发明的目的是要将SSL成像器的设计和制造方法扩展成包括针对很多可能应用的非远心光发射的能力，该很多可能应用受益于这样的能力，其中的少许在本文中仅借助于非限制性示例来进行描述。
图1A图示了使用远心光发射SLM的投影显示器的现有技术设计概念。如在图1A中图示的，从远心发射SLM 110发射的光束的发散图案105规定了大直径投影光学器件115的使用，该大直径投影光学器件115通常规定了大的光学轨道长度120，这进而使得使用远心发射SLM 110的投影系统的总体设计过于庞大。因此，本发明的目的之一是要介绍非远心发射SLM方法，该非远心发射SLM方法使得能够实现较小直径的投影光学器件，并且因此实现较短光学轨道长度和大体上更紧凑的总体投影系统。
图1B图示了使用例如美国专利号8,928,969、8,854,724和9,195,053的远心光发射SLM的3D光场显示器的现有技术设计。在这些类型的显示器中，使用透镜（130-132）的阵列，由此取决于像素的子阵列内的每一个像素的空间位置，这些透镜中的每一个（例如130）将从SLM微像素115的子阵列发射的光定向调制成对向到唯一的方向集中。如在图1B中图示的，从在与像素子阵列相对应的每一个透镜（例如130）的边际处的像素发射的远心光束135的发散图案将部分地照亮相邻透镜（例如131和132）。这种效应（其通常被称为“串扰”）在定向调制的3D图像中引起不合期望的“重影（ghost）”失真。因此，本发明的另一个目的是要介绍使得能够实现表现出最小串扰图像失真的3D光场显示器的非远心发射SLM方法。
在3D显示器的设计中，发射光的定向调制对产生3D观看感知是必要的。在典型的3D显示器中，需要在多个照明方向上具有均匀照明的背光来通过利用SLM中的空间复用和时间复用的某个组合而从不同方向显示同一场景的图像。在这些3D显示器中，通常来自定向背光的光经常在其到达空间光调制器像素之前被定向地选择的滤波器（诸如衍射板或全息光学板，例如美国专利号7,952,809的图1D）处理，该空间光调制器像素在保持其定向性的同时对光颜色和强度进行调制。
当前，现有技术定向光调制器是包括多个光源的照明单元和将由光源发射的光定向到所标明的方向的定向调制单元的组合（参见图1D、1E和1F）。如在描绘了现有技术的若干个变形的图1A、1B和1C中图示的，照明单元经常与下述设备进行组合：诸如扫描反射镜、旋转屏障之类的机电移动设备（参见美国专利号6,151,167、6,433,907、6,795,221、6,803,561、6,924,476、6,937,221、7,061,450、7,071,594、7,190,329、7,193,758、7,209,271、7,232,071、7,482,730、7,486,255、7,580,007、7,724,210、7,791,810和美国专利申请公开号2010/0026960和2010/0245957）或者诸如液体透镜或偏振开关之类的电光移动设备（参见美国专利号5,986,811、6,999,238、7,106,519、7,215,475、7,369,321、7,619,807、7,952,809以及图1A、1B和1C）。
除了是慢的、庞大的以及光学上有损耗的之外，为了与用于3D显示目的的定向地选择的滤波器进行组合，现有技术定向背光单元通常还需要具有窄谱带宽、高准直和个体可控性。实现窄谱带宽和高准直需要设备级革新和可见光调节，从而增加了总体显示系统的成本和体积方面。实现个体可控性需要附加电路和多个光源，从而增加了系统复杂性、容量（bulk）和成本。因此，本发明的目的是要介绍克服了现有技术的限制的定向光调制器，从而使其易于产生无失真的3D和多视图2D显示器，该无失真的3D和多视图2D显示器提供体积优势加上在宽观看角度之上的观看体验。
本发明的附加目的和优势将根据参考附图进行的其优选实施例的以下详细描述而变得显而易见。
附图说明
在附图的各图中作为示例而不作为限制来图示本发明，在附图中相同的附图标记指代相似的要素。
图1A图示了使用远心空间光调制器的现有技术光投影。
图1B图示了使用远心空间光调制器的现有技术定向光调制器。
图1C图示了使用液体透镜的现有技术定向光调制器。
图1D图示了使用扫描镜的现有技术定向光调制器。
图1E图示了现有技术定向调制的背光。
图1F图示了使用定向调制的背光的现有技术定向显示器。
图2A图示了根据本发明的概括的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）的横截面视图。
图2B-1和2B-2图示了本发明的非远心发射型微像素光调制器的光子层的光耦合顶侧的顶视图。
图2C-1和2C-2图示了本发明的非远心发射型微像素定向光调制器的定向光调制方面。
图2D-1、2D-2和2D-3图示了本发明的非远心发射型微像素定向光调制器的定向光调制像素组的几何方面。
图3A图示了本发明的实施例的示意性横截面，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为偏心的折射光学元件（ROE）。
图3B图示了本发明的实施例的定向调制层的前视图，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为偏心的折射光学元件（ROE）。
图4A图示了本发明的实施例的示意性横截面，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为倾斜的折射光学元件（ROE）。
图4B图示了本发明的实施例的定向调制层的前视图，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为倾斜的折射光学元件（ROE）。
图5A图示了本发明的实施例的波导出口的示意性横截面，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为经空间调制的折射光学元件（ROE）。
图5B图示了本发明的实施例的波导出口的顶视图，在该实施例中阵列像素级微光学元件被实现为经空间调制的折射光学元件（ROE）。
图6A图示了本发明的实施例，其中阵列像素级微光学元件被实现为衍射光学元件（DOE）。
图6B图示了其中使用形成闪耀光栅的多个电介质层来实现SSL成像器像素的衍射光学元件的示例。
图6C图示了当在多级光栅被用来实现跨SSL成像器像素的多个波长光发射带宽的期望的衍射角时的情况的示例。
图7A图示了本发明的非远心发射型微像素光调制器的像素级微光学元件的晶片级光学器件（WLO）的制造过程。
图7B图示了被用在本发明的非远心发射型微像素光调制器的像素级微光学元件的晶片级光学器件（WLO）的制造过程中的光刻掩模集。
图7C图示了本发明的非远心发射型微像素光调制器的偏心的像素级微光学元件的晶片级光学器件（WLO）的制造过程。
图7D-7M图示了本发明的非远心发射型微像素光调制器的像素级微光学元件的晶片级光学器件（WLO）的制造过程序列。
图8A图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的超紧凑显示投影仪的设计方法。
图8B图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的图8A的超紧凑显示投影仪的优越的光学效率和均匀性。
图8C图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的图8A的超紧凑显示投影仪的优越的体积效率。
图9图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的最小串扰光场调制器的设计方法。
图10A图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的多视图2D显示器的顶视图。
图10B图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的多视图2D显示器的侧视图。
图11A图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的波导光调制器的侧视图。
图11B图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的波导光调制器的顶视图。
图11C图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的锥形（tapered）波导光调制器的侧视图。
具体实施方式
在本发明的以下详细描述中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例进行描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在此详细描述中的各种位置中的出现不一定全部指代同一实施例。
在接着的描述中，对诸如在微像素的定向调制组中的词组做出引用以及类似的引用。当根据本发明的非远心发射型微像素阵列光调制器要显示光场时，对像素组或者对应的微光学元件的引用是对与单个全息元素（hogel）相关联的像素或微光学元件的引用。当本发明要同时显示一个或多个二维场景时，对像素组或对应微光学元件的引用是对非远心发射型微像素阵列光调制器的全部像素或者对与相应二维场景相关联的像素组之一的引用。
本文中的实施例将SSL成像器的发射型微像素阵列能力与单片制造的像素级微光学元件（在权利要求中被称为定向调制层）进行组合来产生非远心空间光调制器，该非远心空间光调制器实行颜色和亮度的组合功能性以及从其每一个发射型微像素发射的光的定向调制。像素级微光学元件是一类晶片级光学器件（WLO），根据本发明，该类光学器件由诸如氧化硅或氮化硅之类的半导体电介质材料或者可替代地利用使用紫外（UV）压印光刻的UV可固化聚合物来在SSL成像器晶片上单片地制造。如本文中使用的，晶片级或晶片意为具有至少2英寸并且更优选地4英寸或更多的直径的设备或设备的矩阵。除了WLO的主要优势之外的是用以制造小特征微尺度光学元件的能力以及用以将WLO光学元件的多个层与例如诸如SSL成像器或CMOS传感器之类的设备的光电子元件精确对准的能力。可以通过典型的WLO制造技术实现的对准精度可以远小于一微米。SSL成像器的发射型微像素阵列的单个像素可寻址性与精确对准的微像素级光学元件的组合（在本文中被并称为“非远心SSL成像器”）产生了使得在先前的讨论中强调的以及此后详述的很多应用能够实现的第一非远心发射型SLM。
在本文中的实施例中，像素的颜色、亮度和定向光调制通过SSL成像器发射型像素与光弯曲的组合来实现，该光弯曲通过它们相关联的共同地包括非远心发射SSL成像器的微像素级光学器件来实现。
图2A图示了可以与本发明一起使用的示例性非远心发射型微像素（空间）光调制器（SSL成像器）200的大体的横截面视图。如在图2A中图示的，示例性SSL成像器200的总体结构是包括光子微像素阵列层205的多个层的堆叠，其中控制层225结合到其非发射型后侧233，以及定向调制层245和盖玻片层235（在一些实施例中是可选的）结合到其发射型顶侧230。光子层205包括发射型多色微像素210的阵列，其中每一个微像素是由其反射型侧壁220和其反射型顶侧和后侧接触部所限定的光子腔，该反射型顶侧和后侧接触部分别形成光子层205的顶侧230和后侧233。光子层205是多种颜色发射III/V半导体子层215的堆叠，该多种颜色发射III/V半导体子层215当被像素化（即，使用半导体光刻、蚀刻和沉积技术制成微像素阵列形）时在包括微像素阵列200的每一个微像素210的光子腔内形成异质结二极管的多色堆叠。每一个微像素210利用穿过后侧233和侧壁220的多个接触金属微通孔来电学上耦合到控制层225，以控制每一个像素颜色发射子层215的开-关状态。控制层225是包括通过CMOS接触通孔耦合的多个数字逻辑子层的互补金属氧化物半导体（CMOS），该数字逻辑子层被设计成将SSL成像器数字输入转换（或处理）成耦合到每一个像素的电信号来对它们发射的光颜色和亮度进行调制。取决于被用来制造控制层225的CMOS技术过程的几何结构（例如180 nm的CMOS与65 nm的或更小的几何结构CMOS），控制层225可以被用来实现仅仅任一微像素驱动电路，或者来进一步实现将导致生成微像素的电驱动信号的数字图像输入的复杂的数字图像处理。
图2B-1和2B-2图示了根据本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的光子层205的光耦合顶侧230的顶视图。如在图2B-1和2B-2中图示的，每一个微像素210的光耦合顶侧230由使用半导体光刻、蚀刻和沉积技术在顶侧子层230上形成的许多波导260组成。如在图2B-1和2B-2中示出的，波导260可以位于相对于光子层205的光耦合顶侧230的各种位置处。取决于波导260直径、深度间距图案和所使用的电介质半导体材料，来自微像素210的准直光发射的发散角度可以被精细设计（tailor）在范围从±5°到±45°的发散角度内。往回参照图2A，从每一个微像素210发射的至少部分准直的光耦合到它们对应的包括定向调制层245的微像素级光学元件250上。
图2C-1和2C-2图示了本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的定向调制层245的功能方面。如在图2C-1和2C-2的多个图片（panel）中图示的，与每一个微像素210相关联的微光学元件250可以被设计成将来自其对应微像素210的耦合到其上的光定向（或定向地调制）到相对于其垂直轴的唯一方向。图2C-1和2C-2的多个图片图示了可以通过本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的定向调制层245实现的定向调制图案的两个可能的示例。图2C-1的第一图片图示了其中定向调制层245被设计成实现会聚的定向调制图案的示例，其中从微像素210的定向调制组270发射的光从定向调制组270朝向其中心的外围边缘朝向垂直轴进行系统地定向会聚。图2C-2的第二图片图示了其中定向调制层245被设计成实现发散的定向调制图案的示例，其中从微像素210的定向调制组270发射的光从定向调制组270的中心朝向其外围边缘离开垂直轴进行系统地定向发散。在图2C-1和2C-2中，位于每一个微像素210的中心处的箭头意图指示从每一个微像素210发射的光束的主射线的方向，如由平面中的每一个相应箭头的角度以及表示或暗示其与垂直轴的角度的每一个相应箭头的长度所表示的那样。
图2D-1、2D-2和2D-3图示了本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的定向调制像素组270的几何方面。如在图2D-1、2D-2和2D-3的多个图片中图示的，在表示了其在微像素阵列的平面中的尺寸的像素的数量方面，除取决于所意图的应用的许多可能的形状之外，定向调制像素组270的几何形状可以可能地是方形（参见图2D-1）、矩形（参见2D-3）或六边形（参见2D-2）。在微像素方面，定向像素组270的大小可以被扩展成包括SSL成像器微像素阵列的子区域或者SSL成像器的整个微像素阵列。在当定向像素组270遍布SSL成像器微像素阵列的子区域的情况下，其可能是重复的定向调制图案，或者在一些情况下，取决于应用，其可能是针对每个定向调制像素组270的唯一的定向调制图案。
定向调制层245的像素级微光学元件250将在平面中具有与它们相应的发射型微像素210相同的平面尺寸。像素级微光学元件250可以被实现为折射光学元件（ROE）或衍射光学元件（DOE）。在这些情况中的任一情况下，每一个像素级微光学元件250的光学设计参数将被选择成实现跨如之前所解释的调制像素组270的所选定向调制图案。像素级微光学元件250将根据诸如氧化硅或氮化硅之类的任一半导体电介质材料或者根据使用紫外（UV）压印光刻的聚合物来在SSL成像器晶片上单片地制造。在一个实施例中，像素级微光学元件250的制造将被实现为直接在已经在其顶侧上合并了光子层205的SSL成像器晶片的顶侧（发光侧）上的光刻、蚀刻和沉积步骤的序列，该光子层205合并了微像素230的阵列，并且在其后侧上合并了CMOS控制层225。在本发明的另一实施例中，像素级微光学元件250的制造将被实现为晶片大小盖玻片层235的一侧上的光刻、蚀刻和沉积步骤的序列，然后盖玻片晶片的微光学元件250侧被对准并且直接结合在已经合并了光子层205和CMOS控制层225的SSL成像器晶片的顶侧（发光侧）上。在本发明的又一实施例中，像素级微光学元件250的制造将被实现为在盖玻片层235的一侧上的光刻、蚀刻和沉积步骤的序列，然后玻璃覆盖晶片的微光学元件250侧被用作多个子层对其构成光子层205的基板，在该光子层205上形成微像素230的阵列，以及将相继结合CMOS控制层225来制造本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200。
在另一实施例中，像素级微光学元件250的制造将使用WLO技术来实现，在该WLO技术中，微光学元件250将通过在盖玻片层235的一侧上模压UV可固化聚碳酸酯聚合物来形成，然后晶片的所形成的微光学元件250侧被对准并且直接结合在SSL成像器晶片已经合并了光子层205和CMOS控制层225的顶侧（发光侧）上。在本方法中，像素级微光学元件250的层将使用首先使用微机械加工或激光烧蚀技术来制造的微光学元件250的阵列的主模（master mold）来制造，然后被拷贝在UV透明模上，该UV透明模将被用来在晶片大小的盖玻片235的一侧上模压UV可固化聚碳酸酯聚合物。微光学元件250的阵列的模压还将合并对准标志的模压，该对准标志将被用来在与已经合并了光子层205和CMOS控制层225的SSL成像器晶片的结合过程期间将微光学元件250与它们相应的微像素230对准。在此情况下，将具有经模压的微光学元件250的玻璃覆盖晶片235结合到已经合并了光子层205和CMOS控制层225的SSL成像器晶片将使用将被涂敷或喷涂在任一或两个晶片的结合表面上的UV可固化光学胶来实现，然后使用先前合并到每一个晶片的表面上的对准标志来使晶片排列成队列，然后利用UV激光束进行扫描或者通过UV泛光灯来照射经对准的晶片对，以使放置在两个晶片的结合表面上的光学胶结合层固化。
“偏心的”折射型微光学元件（ROE）——图3A图示了本发明的实施例的一个实例，其中阵列像素级微光学元件250被实现为折射光学元件（ROE）。在本实施例中，使用由具有不同折射率的电介质材料310和320的连续层所形成的偏心微透镜250-1来实现像素级折射型微光学元件250定向调制方面。图3A和3B分别是本文中的实施例在被实现为偏心折射型微光学元件250-1时的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的侧视图和顶视图。在本实施例中，将使用半导体光刻、蚀刻和沉积技术将像素级微光学元件250-1的阵列在晶片级下单片地制造为半导体电介质材料的多个层，该半导体电介质材料诸如用于低折射率层310的氧化硅和用于高折射率层320的氮化硅。如在图3A中图示的，使用具有不同折射率的电介质材料310和320的多个层来实现阵列像素级微光学元件250-1，该多个层被连续地（相继地）沉积以形成像素级微光学元件250-1的折射表面。图3B的顶视图图片图示了当被用来实现示例性定向调制组270时的偏心的微透镜方法，由此折射型微光学元件250-1的平面中的偏心量将与要通过每一个折射型微光学元件250-1实现的定向调制成比例。如在图3B中图示的，为了实现跨所意图的定向调制像素组270的期望定向调制图案，与处于定向调制组270的中心处的微像素230相关联的折射型微光学元件250-1的中心将与其相应像素230的中心对准，但离开定向调制像素组270的中心的折射型微光学元件250-1的中心将使它们的中心与它们相应像素230的中心偏移，其中这样的偏移针对微光学元件250-1进一步离开定向调制像素组270的中心而逐渐增加。当定向调制图案朝向定向调制像素组270的中心会聚或者发散离开定向调制像素组270的中心时，折射型微光学元件250-1的偏心偏移将分别朝向定向调制像素组270的中心会聚或者发散离开定向调制像素组270的中心。将使得在由折射型微光学元件250-1的单个偏心量所实现的定向调制之间的角间距与角范围的期望的定向调制成比例。例如，对于具有角范围的N×N像素调制组270而言，在由折射型微光学元件250-1的单个偏心量实现的定向调制之间的角间距将等于。
“倾斜的”折射型微光学元件（ROE）——图4A图示了本发明的实施例的又一实例，其中像素级微光学元件250的阵列被实现为折射光学元件（ROE）。在本实施例中，使用由具有不同折射率的电介质材料410和420的连续层形成的倾斜的微透镜250-2来实现像素级折射型微光学元件250定向调制方面。图4A和4B分别是本文中的实施例当使用倾斜的折射型微光学元件250-2实现时的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的侧视图和顶视图。在本实施例中，将使用半导体光刻、蚀刻和沉积技术将像素级微光学元件250-2的阵列在晶片级下单片地制造为半导体电介质材料的多个层，该半导体电介质材料诸如用于低折射率层410的氧化硅和用于高折射率层420的氮化硅。如在图4A中图示的，使用具有不同折射率的电介质材料410和420的多个层来实现阵列像素级微光学元件250-2，该多个层被连续地（相继地）沉积以形成像素级微光学元件250-2的折射表面。图4A的顶视图图片图示了当被用来实现示例性定向调制组270时的倾斜的微透镜方法，由此折射型微光学元件250-2的光轴的倾斜将与要通过每一个折射型微光学元件250-2实现的定向调制成比例。如在图4A中图示的，为了实现跨所意图的定向调制像素组270的期望定向调制图案，与处于定向调制组270的中心处的微像素230相关联的折射型微光学元件250-2的光轴将与垂直于折射型微光学元件250-2的平面的轴对准，但是折射型微光学元件250-2离开定向调制像素组270的中心的光轴将使它们的光轴从与平面垂直的轴线倾斜，其中这样的倾斜针对微光学元件250-2进一步离开定向调制像素组270的中心而逐渐增加。当定向调制图案朝向定向调制像素组270的中心会聚或者发散离开定向调制像素组270的中心时，折射型微光学元件250-1的光轴的倾斜将分别朝向与平面垂直的轴线会聚或者发散离开与平面垂直的轴线。将使得在通过折射型微光学元件250-2的单个光轴倾斜实现的定向调制之间的角间距与角范围的期望定向调制成比例。例如，对于具有角范围的N×N像素调制组270而言，在由折射型微光学元件250-2的单个偏心量实现的定向调制之间的角间距将等于。
空间调制的折射型微光学元件（ROE）——图5A图示了本发明的又一个实施例，其中像素级微光学元件250的阵列被实现为折射光学元件（ROE）。在本实施例中，使用由具有不同折射率的电介质材料510和520的连续层所形成的空间调制的微透镜250-3来实现像素级折射型微光学元件250定向调制方面。图5A和5B分别是本文中的实施例当使用空间调制的折射型微光学元件250-3实现时的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的侧视图和顶视图图示。如在图5A和图5B中图示的，在本实施例中，像素级折射型微光学元件250-3的中心与它们相应的发射型微像素205对准，并且它们的光轴也垂直于平面进行对准，但是在本实施例的情况下，通过使用与在像素的光学孔径内具有单一波导260的发射型微像素205进行组合的傅里叶（或场）透镜微光学元件250-3来实现定向调制，该单一波导260被空间上调制，或者被适当地定位在平面中。在图5B中，由处于所图示的像素的中心处的实线圆来图示单一波导，其中由虚线圆265图示其可能的空间调制在x和y方向上的限制。在本实施例中，当其相应的发射型微像素205的单一波导260被定位于中心处或者与其光学孔径偏移时，微光学元件250-3的傅里叶透镜的方面可以使其主射线与垂直于平面的轴线对准或者从与该平面垂直的轴线倾斜；分别具有微光学元件250-3的主射线从垂直于平面的轴线的倾斜，该平面处于从波导260的中心向像素的微光学元件250-3的中心延伸的轴线的方向中：并且具有与单一波导260与其相应的发射型微像素205的中心的空间偏移成比例的角度倾斜。图5B图示了本实施例当被用来实现示例定向调制组270时的微像素的单一波导空间偏移方法，由此与其光学孔径在平面中的中心的微像素230的单一波导260空间偏移将与要由每一个折射型微光学元件250-3实现的定向调制成比例。如在图5A中图示的，为了实现跨所意图的定向调制像素组270的期望定向调制图案，处于定向调制组270的中心处的微光学元件250-3将使其相关联的发射型微像素205的单一波导260与其光学孔径的中心对准，但是离开定向调制像素组270的中心的微光学元件250-3将使它们相关联的具有它们的单一波导260的发射型微像素250与它们的光学孔径的中心的空间偏移针对发射型微像素205和微光学元件250-3对进一步离开定向调制像素组270的中心而逐渐增加。当定向调制图案发散离开定向调制像素组270的中心或者朝向定向调制像素组270的中心会聚时，发射型像素230的单一波导260以及它们相应的折射型微光学元件250-3的空间偏移将分别朝向定向调制的像素组270的发射型微像素205的中心会聚或者发散离开定向调制像素组270的发射型微像素205的中心。将使得在通过与折射型微光学元件250-3相关联的单个的单一波导260空间偏移实现的定向调制之间的角间距与角范围的期望定向调制成比例。例如，对于具有角范围的N×N像素调制组270而言，在通过折射型微光学元件250-3单个波导260空间偏移实现的定向调制之间的角间距将等于。
在其他应用中，上文所描述的定向调制层的经空间调制的折射型微光学元件（ROE）不需要使微光学元件250-3处于定向调制组的中心处或者使其相关联的发射型微像素205的单一波导260与其光学孔径的中心对准。另外，在x、y平面中可以相对于发射型微像素205来几何地而不是物理地使图5A和5B的实施例的定向调制层245进行有意地移位。结果将是被如此移位的全部微光学元件250-3将在一端具有较小截断（truncation）而在另一端具有较大截断。这将在发射中产生定向偏置，该偏置然后将通过在组或像素阵列中的每一个单一波导的有意定位而是可控制的，从而在维护了通过单一波导的选择性定位可用的定向调制的范围的同时产生该偏置。
“衍射型”微光学元件（DOE）——图6A图示了本发明的实施例，其中阵列像素级微光学元件250被实现为衍射光学元件（DOE）。在本实施例中，使用由具有不同折射率的金属轨或电介质材料的连续层所形成的微光栅250-4来实现像素级微光学元件250定向调制方面。图6A和6B分别是本文中的实施例当使用微光栅衍射光学元件250-4实现时的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的侧视图和顶视图图示。在本实施例中，将使用半导体光刻、蚀刻和沉积技术将像素级微光栅元件250-4的阵列在晶片级下单片地制造为半导体电介质材料或金属轨的多个层，该半导体电介质材料诸如用于低折射率层610的氧化硅和用于高折射率层620的氮化硅。如在图6A中图示的，使用具有不同折射率的电介质材料的多个层来实现阵列像素级微光栅元件250-4，该多个层被连续地（相继地）沉积以形成像素级微光学元件250-4的衍射表面（图6B）。图6A的顶视图图示了当被用来实现示例性定向调制组270时的微DOE方法，由此（从正交轴测量的）微光栅光学元件250-4衍射角以及微光栅衍射光学元件250-4在平面中的轴向取向将与要通过每一个衍射型微光学元件250-4实现的定向调制成比例。
如在图6A中图示的，将通过使与每一个发射型微像素205相关联的衍射型微光学元件250-4的轴向取向与定向调制组270的径向轴对准并且使它们的衍射角与它们与调制组270的中心的径向距离成比例来实现跨所意图的定向调制像素组270的会聚（或者发散，取决于衍射光学元件250-4的所选设计参数）定向调制图案。在通过单个衍射型微光学元件250-4实现的定向调制之间的角间距将与定向调制像素组270的期望定向调制角范围或视场（FOV）成比例。例如，在示出了由8×8的微像素205组成的调制组270的图6A的图示的情况下，当定向调制角范围或视场（FOV）等于45度时，在通过单个衍射型微光学元件250-4实现的定向调制之间的角间距将是5.625度。
例如，可以使用诸如闪耀光栅或轨光栅（rail grating）之类的透射光栅来实现SSL成像器200像素的衍射光学元件250-4。图6B的图示示出了下述示例，在该示例中使用形成了闪耀光栅的具有不同折射率的多个电介质层610和620来实现SSL成像器200像素的衍射型微光学元件250-4，例如使用用于层610的高折射率氮化硅和用于层620的较低折射率氧化硅。在图6B的图示中，闪耀光栅的斜角和节距将被选择成实现每一个衍射型微光学元件250-4的期望衍射角以及因此实现它们相关联的SSL成像器200的发射型微像素205的定向调制。在图6B的示例中，层610的折射率将被优选地选择成匹配像素的光子层215的折射率，因此例如针对层610使用较高折射率氮化硅。在像素的衍射型微光学元件250-4的高折射率层610与低折射率层620之间的折射率差将管控像素的衍射光学元件250-4的最大衍射角，以及因此两个电介质层610与620之间的折射率差将是将影响通过本实施例的SSL成像器200的定向调制组270可实现的总角范围或视场（FOV）的设计参数。例如，尽管图6A示出了给高折射率层610加盖的较低折射率电介质材料620，但是将可能的是使高折射率层610作为SSL成像器200像素的顶层，以便使像素的衍射角范围最大化以及因此使SSL成像器200定向调制组270的可实现视场（FOV）最大化。为了使像素的衍射型微光学元件250-4的两个层610与620之间的折射率差最大化，在此情况下对顶层620有益的是作为空气间隙。在此情况下，将在添加将允许处于高折射率层610与玻璃覆盖物235之间的薄空气间隙层620的垫片的情况下使盖玻片层235结合在SSL成像器200的顶侧上。为了使通过本实施例的SSL成像器200定向调制组270可实现的视场（FOV）进一步最大化，还将可能的是将衍射型微光学元件250-4的较低层610的表面直接蚀刻到SSL成像器200像素的光子层215的顶侧230中，如之前所解释的，由于光子层215是由诸如例如氮化镓（GaN）之类的通常具有高折射率的III/V半导体材料制造的。类似于本实施例的先前情况，在此情况下还将有益的是，通过使衍射型微光学元件250-4的顶层620作为空气间隙层来甚至进一步地使可实现的FOV最大化。还在此情况下，将在添加将允许处于高折射率层610与玻璃覆盖物235之间的薄空气间隙层的垫片的情况下使盖玻片层235结合在SSL成像器200的顶侧上。
如之前所解释的，SSL成像器200像素可以从每一个像素孔径中发射具有多个波长的光。在当SSL成像器200像素发射具有多个波长的光的情况下，将使用宽带透射光栅或多级光栅来实现衍射光学元件250-2，该宽带透射光栅或多级光栅被设计成实现跨SSL成像器200像素的光发射带宽的期望衍射角。在当使用宽带透射光栅时的情况下，可以使用针对每一个这样的层折射率具有交替的高和低折射率的电介质材料的许多层来实现SSL成像器200像素衍射光学元件250-2。此类层的折射率连同所形成的光栅斜角和节距将被选择成在每一个SSL成像器200像素的光发射带宽的每一个子带内实现期望的像素的衍射角。图6C图示了在多级光栅被用来实现跨SSL成像器200像素的多个波长光发射带宽的期望衍射角时的情况的示例。在该示例情况下，具有不同折射率的两个电介质层630和640被用来形成在每一个层内具有不同光栅节距的多级光栅，由此每一个层的光栅节距被设计成在SSL成像器200像素光发射带宽的给定子带内支配性地使光发生衍射。将通过迭代的设计过程来选择两个层630和640中的每一个的节距和折射率，该迭代的设计过程将跨SSL成像器200像素的整个多波长发射带宽的多级光栅的共同衍射行为考虑在内。在图6C的示例中，层630的折射率将优选地被选择成匹配像素的光子层205的折射率。此外，将可能的是使高折射率层630作为SSL成像器200像素的顶层，以便使像素的衍射角范围最大化以及因此使SSL成像器200定向调制组270的可实现视场（FOV）最大化。在本实施例中，将在添加将允许处于高折射率层630与玻璃覆盖物235之间的薄空气间隙层的垫片的情况下使盖玻片层235结合在SSL成像器200的顶侧上。
定向调制层245的制造方法——如之前所解释的，先前实施例的像素级微光学元件250将被用来将从它们对应的发射型微像素205发射的光进行定向地调制、收集和/或校准，并且如此将具有等于并且在至少小于10%的准确度内精确对准于它们对应的本发明的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的微像素230的光学孔径。可以使用各种各样的纳米压印光刻技术来实现先前实施例的像素级微光学元件250，该纳米压印光刻技术诸如使用相位、灰度、整个域或子域掩模的图案化、使用二元掩模的附加光刻雕塑以及各种直接写入技术。还可以针对制造微光学元件250采用光致抗蚀剂（热）回流和模塑以增加所形成表面的光滑度。使用子域二元掩模集的附加光刻将在本文中被用作用以说明用于制造本发明的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的示例性ROE像素级微光学元件250的典型方法的示例。
晶片级光学器件掩模集——像素级微光学元件250的制造过程序列开始于制造捕获微光学元件250的二元形状规格的光刻子域掩模的集合。该子域掩模的制造过程涉及识别在要制造的像素级微光学元件250的指定特征内的对称性，以及将所识别的对称性分解成正交或非正交的基（basis）的集。图7A图示了针对通过此过程所生成的示例性旋转对称的像素级折射型微光学元件250的正交和非正交基集。将通过控制正交或非正交基集的每一个元件在光刻期间的暴露剂量来稍后在制造过程期间实现微光学元件250的指定二元表面形状，如在图7B中图示的那样。
如在图7A中图示的，旋转对称的折射型微光学元件250将通过正交（环形）或非正交（圆形）元件的二维基集来表示。为了将像素级微光学元件250实现为先前实施例的偏心ROC，则在每一个微像素230位置处，将所需要的偏心移位应用于所生成的基集，以及然后在每一个基与按设计指定的微像素230孔径对准之后被相应地截断。图7C图示了两个示例情况，一个情况是其中微光学元件250的轴线位于微像素230的孔径的中心处，以及第二情况是其中微光学元件250的轴线从微像素230的孔径的中心移位。该过程然后跨微像素230掩模对准参考坐标的整个阵列进行重复以产生针对发射型微像素光调制器（SSL成像器）200设备的全孔径的多层掩模集。等同的正交和非正交基元件然后与跨SSL成像器200孔径的发射型微像素230掩模对准参考坐标的阵列进行对准来形成单独的掩模层。这些掩模层然后可以被分离并且被放置于单一标线上或多个标线上的公知位置上，以被用在微光学元件250的晶片级微光学器件光刻制造过程中。该掩蔽层形成的整个过程可以使用标准掩模编辑软件来完成，该标准掩模编辑软件诸如通常被用在半导体光刻掩模的产生中的LEdit。应注意的是，该掩模形成过程将针对包括像素级微光学元件250的每个光学表面进行重复以产生针对非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的晶片级光学器件制造的全掩模集。
尽管前述讨论概述了针对当根据之前被描述为偏心ROE的实施例来实现像素级微光学元件250时的情况的形成光刻掩模集的过程，但本领域技术人员将容易地知晓在当微光学元件250被实现为倾斜的ROE或者为DOE时的其他所描述的实施例的情况下如何应用所描述的光刻掩模集形成过程。
晶片级光学器件制造序列——图7D-7M图示了像素级微光学元件250的制造过程序列。在根据前述讨论形成了晶片级光学器件掩模集之后，使用诸如等离子增强化学气相沉积（PECVD）之类的半导体材料沉积工具来将挑选的基板涂覆有电介质材料的薄层（优选地为数微米），在本文中被称为电介质-1（图7D）。所沉积的电介质-1层可以是无定形的，但是需要在目标光谱内是充分透明的，该目标光谱例如在可见光400 nm到650 nm光谱内并且被具体地选择成在基板晶片上引入最小应力。所沉积的电介质-1层将通常是围绕着将包括像素级微光学元件250的其他高折射率材料层的低折射率材料。对准标志然后被图案化到所沉积的电介质-1层的顶侧上以被用于使像素级微光学元件250的后续层对准。
然后将被适当挑选和表征的光致抗蚀剂涂覆在电介质-1层的顶部上，以及使用所制造的掩模集来实行附加光刻，以产生像素级微光学元件250的该表面的反面（图7E）。在附加光刻过程中，通过使用具有小于100 nm或优选地在50 nm的范围内的对准公差的集合的各种掩模的连续对准和曝光，将在光致抗蚀剂层上产生反面表面（图7F）。将通过针对用于如在图7B中图示的集合的各种掩模的每一个光刻步骤来调节曝光和聚焦偏移参数，来优化光致抗蚀剂表面的所产生的形状。该步骤之后是适当的计量学测量来确认所产生的光致抗蚀剂反面表面依从像素级微光学元件250的第一表面的表面设计规格（或光学惯例）。
一旦确认了光致抗蚀剂反面表面的规格依从性，则将使用在反应离子蚀刻（RIE）工具上的可以提供光致抗蚀剂与电介质-1层之间的1:1选择率的适当的化学过程（chemistry）来蚀刻微光学元件250（图7G）。蚀刻时间需要基于预表征的蚀刻速率来进行调整，以便于避免过蚀刻到电介质-1层中并且确保在具有尽可能少的形成于蚀刻步骤期间的缺陷的情况下，将光致抗蚀剂上的形状如实地转移到电介质-1层上。接着此步骤的计量学测量被用来确认电介质-1层被蚀刻的表面依从微光学元件250的表面设计规格（或光学惯例）。在蚀刻和计量学步骤之后，彻底地清洁晶片电介质-1层表面以确保移除全部聚合物残留物和来自晶片所制造的表面的其他污染物。在此步骤的末尾，将以与跨具有所产生的光学表面的整个晶片表面的微像素230精确对准的形式在电介质-1层上产生微光学元件250的第一表面。
在制造了电介质-1层表面之后，晶片被涂覆有高折射率电介质-2层的相对厚的共形层（图7H）。电介质-2层的厚度应当足以容纳微光学元件250的光学特征，同时在具有最小应力的情况下是高度透明的。电介质-2层的沉积表面然后经历使用化学机械抛光（CMP）工具的平面化过程，以获得跨该晶片具有最小总厚度变化（TTV）的几乎平坦的表面（图7I）。电介质-2层晶片表面然后被涂覆有然后被处理的光致抗蚀剂，在与针对电介质-1层所描述的类似的步骤中，使用之后是蚀刻的附加光刻来在电介质-2层表面上产生像素级微光学元件250的第二表面（图7J-L）。
在制造如在图7K和7L中示出的像素级微光学元件250的第一和第二表面之后，被标明为电介质-3层的第三电介质材料层被沉积在晶片表面的顶部上，并且被平面化成所需要的厚度和TTV规格（图7M）。将基于像素级微光学元件250的光学惯例来选择电介质层电介质-1、电介质-2和电介质-3的介电常数和折射率，并且通常在多数应用中，电介质-1和电介质-3将具有同一折射率值，该折射率值比电介质-2的折射率值更低。
如果根据像素级微光学元件250的光学惯例要添加第二光学元件的话，则将在电介质-3层晶片表面的顶部上重复所描述的WLO制造步骤。
在基板晶片的顶部上制造了像素级微光学元件250的全部光学元件之后，晶片表面被涂覆有结合中间层、被抛光成适当的结合规格，然后使用在过程中之前添加的校准标志来被校准且结合到顶部光子层205表面。
在本发明的一个实施例中，在前述段落中所描述的WLO制造过程被用来在作为基板的盖玻片晶片235的顶部上制造像素级微光学元件250，然后所制造的晶片被用作将在其上相继地结合和形成像素化的光子层堆叠205的基板。在该制造序列的末尾，所形成的晶片将被对准且结合到CMOS控制层225的顶侧。
在本发明的另一实施例中，在前述段落中所描述的WLO制造过程被用来在作为基板的盖玻片晶片235的顶部上制造像素级微光学元件250，然后所制造的晶片被对准且结合到分别形成的晶片的光子层205顶部表面，该晶片包括相继地结合到CMOS控制层225的顶侧的光子层堆叠205。
在本发明的又一实施例中，在前述段落中所描述的WLO制造过程被用来在分别形成的晶片的顶部上制造像素级微光学元件250，该晶片包括相继地结合到CMOS控制层225的顶侧的光子层堆叠205，然后盖玻片晶片结合在所制造的像素级微光学元件250的顶部上。在针对该情况的WLO制造过程中，将首先在像素化的光子层堆叠205的顶部上制造像素级微光学元件250的第二表面，然后将在顶部上制造像素级微光学元件250的第一表面。在另外其他实施例中，特别是使用本文中所描述的针对定向调制层的其他制造过程并且使用该制造过程，将在添加将允许处于高折射率层610与玻璃覆盖物235之间的薄空气间隙层620的垫片的情况下使玻璃覆盖层235结合在SSL成像器200的顶侧上。取决于所意图的应用，每一个前面提到的实施例将具有它的优势。
图7D-7M图示了在前述段落中所描述的用于在作为基板的盖玻片晶片235的顶部上制造像素级微光学元件250的WLO制造过程。尽管图7D-7M图示了在像素级微光学元件250为在作为基板的玻璃覆盖晶片235的顶部上制造的ROE的情况下所描述的WLO制造过程，但是所描述的制造序列同样地适用于所描述的很多实施例的情况下，该所描述的很多实施例包括在像素级微光学元件250为在先前段落的任何WLO制造过程实施例的情境内所制造的DOE时的情况。
超紧凑投影仪——图8A图示了通过本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200使得能够实现的超紧凑显示投影仪的设计方法。在本实施例中，SSL成像器200的定向调制层245被设计成实现会聚的定向调制图案，该会聚的定向调制图案使从微像素210的定向调制组270发射的光从定向调制组270朝向其中心的外围边缘朝向垂直轴进行系统地定向会聚。在该情况下，定向调制组270延伸跨越SSL成像器200的整个发射光学孔径。如在图8A中图示的，像素级微光学元件250将定向调制从SSL成像器200微像素发射的光，以实现投影仪光学器件810的第一光学元件L-1的光学孔径的最大填充因子，该第一光学元件L-1的光学孔径进而被设计成将光射线朝向第二光学元件L-2光学孔径进行进一步重定向，同时维持填充因子处于最大值。光学元件L3和L4被用于放大所投影的图像。本实施例的投影仪设计实现了具有3.6×6.4 mm的SSL成像器发射型孔径大小的小于8 mm的光学轨道长度，同时实现了相当均匀的光学效率。实际的投影仪具有5.82 mm×8.05 mm的横截面尺寸，具有7.86 mm的高度。除了其体积效率之外，图8A的超紧凑显示投影仪将使得能够实现高光学效率和亮度均匀性的达成。如在图8B中示出的，与对于不使用本文中的实施例的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200的设计而言的22.8%的光学效率相比，本实施例的投影仪设计在具有小于15%的中心对角部滚降（roll off）的情况下实现了几乎83%的光学效率。在具有其实现的最小光学轨道长度的情况下，本实施例的投影仪设计被用来制造在图8C中描画的具有小于0.3 cc的总体积的超紧凑、全色投影仪。就发明人的知识所及，这是曾经设计和制造的体积上最小的HD投影仪，这使其对于移动显示应用而言是理想的，该移动显示应用诸如嵌入式及附加移动投影仪以及近眼头戴式显示器（HMD）。
最小串扰的光场调制器——图9图示了通过本发明的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200使得能够实现的最小串扰的光场调制器的设计方法。在本实施例中，将通过使SSL成像器200非远心发射跨越如在图9中图示的每一个全息元素透镜930-932的光学孔径来大幅降低或完全消除全息元件（全息元素）之间的“串扰”及其引起的不期望的3D图像“重影”失真。也就是说在本实施例中，SSL成像器200的定向调制层245将被设计成实现会聚的定向调制图案，该会聚的定向调制图案使从微像素210的定向调制组270发射的光从定向调制组270朝向其中心的外围边缘朝向垂直轴进行系统地定向会聚。在本实施例的情况下，定向调制组270将延伸跨越与图9的每一个全息元素透镜930-932的光学孔径相对应（相关联）的SSL成像器200发射型微像素的子阵列。利用本实施例的设计方法，与每一个全息元素透镜930-932相关联的微像素210的SSL成像器200子阵列的像素级微光学元件250将被设计使得来自微像素210的子阵列的光发射将保持大体上被限制在它们相关联的全息元素透镜930-932孔径的光学孔径内，从而使全息元素透镜930-932相邻之间的光泄露或串扰最小化。利用被实现的该点，通过SSL成像器200调制的光场视图之间的光泄露将被最小化，从而使得来自不同方向的视图没有来自其他方向的重影干扰。
在本实施例中，从每一个SSL成像器200微像素210发射的光将被像素的微光学元件250进行充分地校准和定向调制（或定向），以在具有最低限度的或大体上没有到相邻全息元素透镜中的光泄露的情况下来高效地填充它们相关联的全息元素透镜。因此，除了使定向调制的视图之间的串扰最小化之外，通过本发明的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200使得能够实现的图9的定向光调制器还将实现跨其视场（FOV）的较高的光学效率和均匀性。
多视图显示器——图10A和图10B分别图示了通过本发明的非远心发射型微像素光调制器（SSL成像器）200使得能够实现的多视图2D显示器设计方法的顶视图和侧视图。在本实施例中，SSL成像器200发射像素210阵列及它们相关联的定向调制层245的微光学元件250将在空间上被划分成定向调制子阵列或定向调制组270。如在图10B中图示的，本实施例的SSL成像器200的定向调制层245可以被设计成实现将使从微像素210的定向调制组270发射的光系统地定向发散到离开定向调制组270的垂直轴的唯一方向集中的发散的定向调制图案。在本实施例中，定向调制组270在发射型像素210的数量方面的大小将确定多视图显示器所能支持的视图的数量。例如，64视图的多视图显示器可以使用图10A的8×8定向调制组270来实现，其中跨显示孔径的每一个调制组中的每一个像素被设计成在唯一的方向上发射光，该唯一的方向在多视图显示器的目标视场（FOV）内被均匀地且有角度地间隔。在本实施例中，从每一个SSL成像器200微像素210发射的光将被像素的微光学元件250充分地校准且定向调制成特定的唯一方向。
波导光调制器——图11A图示了由本发明的非远心发射型微像素光调制器使得能够实现的波导光调制器的设计方法。如在图11A中图示的，本实施例的波导光调制器将由SSL成像器200组成，其中其定向调制层耦合到波导1110的光学输入孔径1120上，该波导1110使反射型光学器件层1130涂覆到其侧面之一来限定其光学输出孔径1140。在本实施例中，SSL成像器200发射型像素210阵列及它们相关联的定向调制层245的微光学元件250将把从每一个SSL成像器200像素发射的光定向在波导1110的波导角范围内的唯一方向上。在全内反射（TIR）波导1110的情况下（诸如在图11A中图示的那个），从每一个SSL成像器200像素发射的光将被像素的相关联的微光学元件250在切线（侧向）和矢量（高程）平面内的唯一方向上进行定向调制，该切线（侧向）和矢量（高程）平面将阐述从该像素发射的光的波导角以及与像素的坐标的侧向发散。由SSL成像器200像素发射的光在侧向平面中的定向调制将用于确定在从其像素阵列发射的光传播穿过波导时被SSL成像器200像素阵列调制的图像的总扩展（或放大）。实际上，由SSL成像器200像素发射的光在侧向平面中的定向调制将用于确定被SSL成像器200像素阵列调制并且耦合到波导中的图像的x轴放大因子。由SSL成像器200像素发射的光在矢量平面中的定向调制将用于确定从每一个SSL成像器200像素发射（以及调制）的光将传播通过波导所处的角度。在波导反射型光学器件层1130通常被设计成打破TIR条件以用于光射线以进一步离开SSL成像器200在光学上耦合到其中的波导输入光学孔径1120的逐步更低的角度而被引导通过波导，由SSL成像器200像素发射并且被其微光学元件250以波导TIR角范围内的逐步更小的角度在矢量平面中定向调制的光将在其TIR引导条件被波导反射型光学器件层1130打破（瓦解）之前进一步传播离开波导输入光学孔径1120，该波导反射型光学器件层1130将光更直接地朝向波导1110的输出孔径1140进行定向。实际上，由SSL成像器200像素发射的光在矢量平面中的定向调制将用于确定被SSL成像器200像素阵列调制并且耦合到波导中的图像的y轴放大因子。当针对其像素中的每一个恰当地选择了由SSL成像器200像素发射的光在切线（侧向）和矢量平面中的定向调制时，由本发明的SSL成像器200发射的光的定向调制将使得能够实现其正调制并且耦合到波导输入光学孔径1120中的图像的放大以及该图像到波导输出光学孔径1140的中继。作为替代，输出孔径可以自身包括用以打破在输出孔径1140处的TIR条件的透射型光学器件。
在图11B中进一步图示了本实施例的定向调制设计方法，该图11B示出了SSL成像器200使得能够实现的本发明的波导光调制器的顶视图。在图11B中，波导输入光学孔径1120内的SSL成像器200像素的坐标被标明为坐标，而波导输出光学孔径1140内的波 导光调制器像素的坐标被标明为坐标。如在图11B中图示的，侧向和矢量平面中的SSL成像器200像素定向调制角度使从每一个SSL成像器200像素发射并且在波导输入光学孔径1120内的给定坐标处耦合到波导中的光被唯一地映射到波导输出光学孔径1140内的给定坐标。实际上，本实施例的SSL成像器200像素的定向调制方法连同适当设计的波导反射型光学器件层1130将使得能够实现给定光学传递函数的合成，该给定光学传递函数分别实现波导输入与输出光学孔径1120和1140之间的放大和中继二者。应添加的是，在本实施例中，由SSL成像器200像素发射的光束的准直角将被选择成在波导1110的TIR角范围之外，以用于在没有针对发射的特殊规定的情况下适当运转输出孔径1140。
锥形波导光调制器——在图11C中图示的替代的实施例中，基于SSL成像器200的波导光调制器可以使用锥形波导1150来实现，由此波导1150的一个表面的锥形角度（或斜率）被选择成打破TIR条件以用于光射线以进一步离开SSL成像器200在光学上耦合到其中的波导输入光学孔径1160的逐步更低的角度（更接近与局部波导表面垂直的线）而被引导通过波导1150。本实施例中的波导1150的一个表面的锥形实行了先前实施例的衍射型光学器件层1130的等效光学函数。在本实施例中，SSL成像器200发射型像素210阵列及它们相关联的定向调制层245的微光学元件250将把从每一个SSL成像器200像素发射的光定向在锥形波导1150的波导角范围内的唯一方向中。如在图11C中图示的，从每一个SSL成像器200像素发射的光将被像素的相关联的微光学元件250定向调制在切线（侧向）和矢量（高程）平面内的唯一方向上，该切线（侧向）和矢量（高程）平面将阐述从该像素发射的光的波导角以及与像素的坐标的侧向发散。由SSL成像器200像素发射的光在侧向平面中的定向调制将用于确定在从其像素阵列发射的光传播穿过锥形波导1150时被SSL成像器200像素阵列调制的图像的总扩展（或放大）。实际上，由SSL成像器200像素发射的光在侧向平面中的定向调制将用于确定被SSL成像器200像素阵列调制并且耦合到波导中的图像的x轴放大因子。由SSL成像器200像素发射的光在矢量平面中的定向调制将用于确定从每一个SSL成像器200像素发射（以及调制）的光将传播通过波导所处的角度。在波导1150的锥形表面被设计成打破TIR条件以用于光射线以进一步离开SSL成像器200在光学上耦合到其中的波导输入光学孔径1160的逐步更低的角度（更接近与锥形波导1150的局部表面垂直的位置）而被引导通过波导的情况下，由SSL成像器200像素发射并且以波导TIR角范围内的逐步更低的角度被其微光学元件250在矢量平面中定向调制的光将在其TIR引导条件被波导1160的锥形表面打破（瓦解）之前进一步传播离开波导输入光学孔径1160。实际上，由SSL成像器200像素发射的光在矢量平面中的定向调制将用于确定被SSL成像器200像素阵列调制并且耦合到锥形波导1160中的图像的y轴放大因子。当针对其像素中的每一个恰当地选择了由SSL成像器200像素发射的光在切线（侧向）和矢量平面中的定向调制时，由本文中的实施例的SSL成像器200发射的光的定向调制将使得能够实现将其正调制并且耦合到锥形波导1160输入光学孔径1120中的图像的放大以及到波导输出光学孔径1140的中继。实际上，本实施例的SSL成像器200像素定向调制方法连同适当设计的锥形波导1150将使得能够实现给定光学传递函数的合成，该给定光学传递函数分别实现锥形波导1150的输入和输出光学孔径1160与1170之间的放大和中继二者。在本实施例中应添加的是，由SSL成像器200像素发射的光束的准直角将被选择成在锥形波导1150的TIR角范围内。作为替代，诸如锥形波导的下表面的部分之类的锥形波导的某些表面可以被涂覆有反射涂层（如果期望的话）以在已经打破了TIR条件时允许最后的反射。
应注意的是，基于SSL成像器200的波导光调制器的两个先前实施例可以被用来产生光学透视（OST）近眼或头戴式显示器（HMD）。在这些实施例的每一个中，作为替代实施例，SSL成像器可以代替地使其输出耦合到处于波导1110的末端或边缘处的输入孔径中并且实现相同或类似的结果。而且波导本身可以具有其他形状，并且不限于如示出的矩形形状。
因此，使用针对晶片级光学器件的晶片级制造技术，可以以晶片级来制造整个非远心发射型微像素阵列光调制器，以及然后把晶片级组件切成小块来获得最终产品。
而且，虽然图2C-1图示了其中光从像素组或整个阵列的中心进行会聚的实施例，以及图2C-2图示了其中光从像素组或整个阵列的中心发散的实施例，但是二者都不是本发明的限制，因为在一些应用中，来自组或整个阵列中的全部像素的光可以被定向在同一大体方向上（虽然通常地以不同的角度）来呈现用于以未失真形式进行观看的一个或多个完整图像。这可以要求在定向调制器层处的反失真来实现未失真的图像以用于观看。另外，定向调制层可以包括两个或更多个不同的像素组，一个用于在一个位置或深度处呈现第一图像，以及在一个或多个附加位置或深度处呈现一个或多个其他图像。
在前述描述以及在权利要求中，对定向调制层做出参考。要理解的是，以一般意义来使用词语层，以标识确定了非远心发射型微像素阵列光调制器的空间调制的一个或多个层。还应理解的是，虽然已经在本文中关于相应实施例的每一个描述了针对定向调制层的某些制造技术，但是此类技术还适用于在使用相同形式的定向调制层和/或制造序列的其他实施例中使用。因此，作为示例，UV可固化聚碳酸酯聚合物或者用以形成特定实施例的模压的使用是示例性的，并且用于形成所得到的ROE的此类技术和操作序列仅是示例性的，并且UV可固化聚碳酸酯聚合物或模压的使用可以被用来形成任何基于ROE的定向调制层以及以制造操作的任何序列来制造本发明的非远心发射型微像素阵列光调制器。另外，除非上下文另行规定的，对一个或多个像素组的引用包括对涵盖整个SSL成像器发射器区域的组的引用。
因此本领域技术人员将容易地领会到，各种修改和变化可以被应用于本发明的实施例而不偏离在所附权利要求中和由所附权利要求所限定的其范围。应领会的是，本发明的前述实例仅是说明性的，并且可以以其他特定形式来体现本发明而不偏离其精神和实质特性。因此，所公开的实施例不应以任何意义被视为是限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是前述描述所指示，并且落入其等价方式的意义和范围内的全部变型意图被包含在内。
Claims (34)
1.一种非远心发射型微像素阵列光调制器，包括：
控制层；
像素化的多种颜色发射III/V半导体层，其堆叠在所述控制层上并且从所述控制层是可控制的以发射在颜色上和时间上被调制的至少部分准直的像素化的光；以及
在所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层之上的光学元件的定向调制层，每一个光学元件将来自对应像素的耦合到其上的光定向调制到相对于与所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层垂直的轴线的相应方向。
2.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，进一步包括在所述定向调制层之上的盖玻片层。
3.根据权利要求2所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述盖玻片层与所述定向调制层间隔开以提供所述定向调制层与所述盖玻片层之间的空气间隙。
4.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括折射型微光学元件。
5.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括衍射型微光学元件。
6.根据权利要求5所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述衍射型微光学元件包括闪耀光栅或轨光栅。
7.根据权利要求6所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层的定向调制由闪耀光栅的斜角和节距来确定。
8.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括半导体电介质材料。
9.根据权利要求8所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括氧化硅或氮化硅的多个电介质层。
10.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括UV可固化聚合物。
11.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层被分成组，每一个组包括多个像素。
12.根据权利要求11所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中每一个像素的组被组织成方形、矩形或六边形图案。
13.根据权利要求11所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括图案，每一个定向调制层图案对应于相应的像素图案，每一个定向调制层具有相同的定向调制图案。
14.根据权利要求11所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括图案，每一个定向调制层图案对应于相应的像素图案，每一个定向调制层具有唯一的定向调制图案。
15.根据权利要求11所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中每一个定向调制层图案将耦合到其上的光定向调制成相应的会聚图案。
16.根据权利要求11所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中每一个定向调制层图案将耦合到其上的光定向调制成相应的发散图案。
17.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层包括衍射型微光学元件，并且其中衍射型定向调制层包括具有不同折射率的金属轨或电介质材料的连续层。
18.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层将耦合到其上的光定向调制成相应的发散图案。
19.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层将耦合到其上的光定向调制成相应的会聚图案。
20.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层由以具有不同折射率的电介质材料的连续层的偏心微透镜的形式的像素级折射型微光学元件组成。
21.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层由以具有不同折射率的电介质材料的连续层的倾斜微透镜的形式的像素级折射型微光学元件组成。
22.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中：
由所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层发射的像素化的光被针对发射光的每一个像素的波导至少部分地校准，所述每一个像素来自所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层的每一个堆叠层；
所述定向调制层的每一个光学元件是傅里叶透镜；
所述定向调制层的每一个光学元件的中心与所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层的相应像素对准；以及
每一个相对于相应光学元件的波导的位置被空间调制以提供期望的定向调制图案。
23.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层是衍射型定向调制层，所述衍射型定向调制层由通过具有不同折射率的金属轨或电介质材料的连续层所形成的微光栅组成。
24.根据权利要求23所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述微光栅是宽带透射光栅或多级光栅。
25.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层是衍射型定向调制层，所述衍射型定向调制层由通过氧化硅和氮化硅的多个层所形成的微光栅组成。
26.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，其中所述定向调制层将来自对应像素的耦合到其上的光定向调制到相应的会聚方向，并且进一步包括投影光学器件，所述投影光学器件被定位成接收来自所述非远心发射型微像素阵列光调制器的会聚光并且投影所述会聚光，从而形成多色投影仪。
27.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，连同波导，所述非远心发射型微像素阵列光调制器耦合到波导的输入孔径，所述波导还具有输出孔径，所述非远心发射型微像素阵列光调制器被定位在所述波导上，并且所述定向调制层被选择成将来自所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层的图像定向到所述输入孔径中，以在穿过所述波导的输出孔径离开所述波导之前通过全内反射进行反射。
28.根据权利要求1所述的非远心发射型微像素阵列光调制器，连同锥形波导，所述非远心发射型微像素阵列光调制器耦合到处于第一厚度的锥形波导的区域中的锥形波导的输入孔径，所述锥形波导还具有处于第二厚度的锥形波导的区域中的输出孔径，所述第二厚度小于所述第一厚度，所述非远心发射型微像素阵列光调制器被定位在所述锥形波导上，并且作为打破由所述锥形波导的锥形所引起的全内反射的结果，所述定向调制层被选择成将来自所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层的图像定向成在穿过所述锥形波导的输出孔径离开所述锥形波导之前，通过全内反射被所述锥形波导的至少第一内表面所反射。
29.一种制造非远心发射型微像素阵列光调制器的方法，所述非远心发射型微像素阵列光调制器具有控制层；像素化的多种颜色发射III/V半导体层，其堆叠在所述控制层上并且从所述控制层是可控制的以发射在颜色上和时间上被调制的至少部分准直的像素化的光；在所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层之上的光学元件的定向调制层，每一个光学元件将来自对应像素的耦合到其上的光定向调制到相对于与所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层垂直的轴线的相应方向；以及在所述定向调制层之上的盖玻片层，所述方法包括：
使用所述盖玻片层作为基板在所述盖玻片层上制造所述定向调制层；
将所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层堆叠结合到所述盖玻片层上的定向调制层；以及
将所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层堆叠结合到CMOS控制层；或者
使用所述盖玻片层作为基板在所述盖玻片层上制造所述定向调制层；以及
将所述定向调制层结合到如已经被结合到所述CMOS控制层的像素化的多种颜色发射III/V半导体层堆叠；或者
将所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层堆叠结合到CMOS控制层；
在所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层堆叠上制造所述定向调制层；以及
将所述盖玻片层结合到所述定向调制层。
30.一种制造超紧凑显示投影仪的方法，包括：
提供控制层；
提供像素化的多种颜色发射III/V半导体层，其堆叠在所述控制层上并且从所述控制层是可控制的以发射在颜色上和时间上被调制的跨发射型光学孔径的至少部分准直的像素化的光；
在所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层之上提供光学元件的定向调制层，并且延伸跨越整个发射型光学孔径，每一个光学元件将来自对应像素的耦合到其上的光定向调制到相对于与所述定向调制层垂直的轴线的相应会聚方向；
提供投影光学器件，其包括用于接收来自所述定向调制层的会聚光的第一光学元件、用于接收来自所述第一光学元件的光的第二光学元件、以及用于接收来自所述第二光学元件的光来放大所投影图像的一个或多个附加光学元件，所述光学元件定向调制所发射的光来实现所述第一光学元件的光学孔径的最大填充因子，所述第一光学元件将光射线朝向所述第二光学元件的光学孔径重定向，同时维持所述填充因子处于最大值，所述第二光学元件将光重定向到用于接收来自所述第二光学元件的光来放大所投影图像的一个或多个附加光学元件。
31.一种制造最小串扰光场调制器的方法，包括：
提供控制层；
提供像素化的多种颜色发射III/V半导体层，其堆叠在所述控制层上并且从所述控制层是可控制的以发射在颜色上和时间上被调制的至少部分准直的像素化的光；
在所述像素化的多种颜色发射III/V半导体层之上提供光学元件的定向调制层，所述光学元件被组织成组，每一个光学元件的组表示光场的全息元素，光学元件的组内的每一个光学元件将来自对应像素的耦合到其上的光定向调制到朝向相对于与所述定向调制层垂直的轴线的光学元件的相应组的中心的相应会聚方向，从而使从相应的光学元件的组发射的像素化的光朝向与所述定向调制层垂直的轴线进行系统地定向会聚，以使得来自所述光学元件的光大体上保持被限制在相关联的全息元素透镜孔径的光学孔径内，从而使全息元素透镜相邻之间的光泄露或串扰最小化。
32.一种用于在全内反射波导中引导由多个像素输出组成的图像的方法，所述方法包括以下步骤：
使用多个相应的微光学元件来定向调制多个成像器像素输出，其中所述微光学元件被配置成在切线或侧向以及矢量或高程平面内的唯一方向上定向调制全内反射波导中相应的成像器像素输出，以限定所述成像器像素输出的波导角和与相应像素的坐标的侧向发散；由此所述切线或侧向平面确定了在所述成像器像素输出传播通过所述波导时被调制的图像的总扩展或放大。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述成像器像素输出在所述切线或侧向平面中的定向调制限定了被调制的图像的x轴放大因子，并且所述成像器像素输出在所述矢量或高程平面中的定向调制限定了所述成像器像素输出传播通过所述波导所处的角度。
34.一种用于将光场显示器中的光学串扰最小化的方法，所述方法包括以下步骤：
使用多个相应的微光学元件来定向调制与全息元素透镜相关联的微像素的子阵列中的多个光场成像器像素输出；由此所述相应的微光学元件限制在所述全息元素透镜的光学孔径内的相应的光场成像器像素输出。
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