CN111095076A - 具有校准补偿的像素的多层制造 - Google Patents

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Abstract

一种电子显示器包括多层结构，该多层结构减小了形状因子，并在每层的基础上提供了电子显示器的优化。电子显示器包括驱动器层、控制层以及驱动器层和控制层之间的中介层。驱动器层包括一个或更多个驱动器以提供控制信号。控制层包括控制电路，该控制电路被配置成在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)。中介层在驱动器层和控制层之间。中介层包括在驱动器层的一个或更多个驱动器与控制层的控制电路之间的电连接，以将控制信号从驱动器层传输到控制层。

Description

具有校准补偿的像素的多层制造
背景
本公开总体上涉及电子显示器的制造。
电子显示器可以包括使用不同电压电平进行操作的数字部件和模拟部件。例如，显示器可以使用平面架构，其中光源、背板电子器件和驱动电路位于同一衬底上。平面架构会导致较大的形状因子(form factor)，这在头戴式显示器、移动设备等中可能是不期望的。此外，将电子显示器的不同部件放置在不同的芯片上会导致性能下降，例如可能由芯片之间的信号延迟和同步问题引起的性能下降。
概述
实施例涉及提供具有多层架构的电子显示器。电子显示器包括驱动器层、控制层以及驱动器层和控制层之间的中介层。驱动器层包括一个或更多个驱动器以提供控制信号。控制层包括控制电路，用于在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)。中介层包括在驱动器层的一个或更多个驱动器与控制层的控制电路之间的电连接，以将控制信号从驱动器层传输到控制层。
在一些实施例中，电子显示器包括包含LED的LED层，以及在控制层和LED层之间的金属层。控制层根据来自驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动LED。金属层包括在控制层的控制电路与LED层的LED之间的电连接，以将驱动电流从控制层传输到LED层。
一些实施例包括用于控制电子显示器的方法。该方法包括：由包括一个或更多个驱动器的驱动器层生成控制信号；由驱动器层和控制层之间的中介层将控制信号从驱动器层传输到控制层；以及由控制层在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动电子显示器的发光二极管(LED)。
一些实施例包括电子显示器，该电子显示器包括：驱动器层，其包括被配置成提供控制信号的一个或更多个驱动器；第一控制层；驱动器层和第一控制层之间的第一中介层，第一中介层包括在驱动器层的一个或更多个驱动器与第一控制层之间的电连接，以将控制信号从驱动器层传输到第一控制层；包括控制电路的第二控制层，该控制电路被配置成根据来自驱动器层的控制信号驱动发光二极管(LED)；以及第一控制层和第二控制层之间的第二中介层，第二中介层包括在第一控制层与第二控制层的控制电路之间的电连接，以将控制信号从第一控制层传输到第二控制层。
一些实施例包括具有电子显示器的头戴式显示器(HMD)。其他方面包括部件、设备、系统、改进、方法、过程、应用、计算机可读介质以及与上述任何相关的其他技术。
在涉及电子显示器和方法的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别(例如电子显示器)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如方法、头戴式显示器、系统、存储介质和计算机程序产品系统)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在根据本发明的实施例中，电子显示器可以包括：
驱动器层，其包括被配置成提供控制信号的一个或更多个驱动器；
控制层，其包括控制电路，该控制电路被配置成在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)；以及
中介层，其在驱动器层和控制层之间，该中介层包括在驱动器层的一个或更多个驱动器与控制层的控制电路之间的电连接，以将控制信号从驱动器层传输到控制层。
在根据本发明的实施例中，电子显示器可以包括：
LED层，其包括LED，控制层被配置成根据来自驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动LED；以及
金属层，其在控制层和LED层之间，该金属层包括在控制层的控制电路与LED层的LED之间的电连接，以将驱动电流从控制层传输到LED层。
驱动器层的一个或更多个驱动器可以包括以下至少一个：
面板驱动器，其被配置成向控制层提供包括数据信号和扫描信号的控制信号；
脉宽调制(PWM)驱动器，其被配置成向控制层提供包括PWM信号的控制信号；或者
校准驱动器，其被配置成向控制层提供包括校准信号的控制信号。
驱动器层可以包括第一最小特征尺寸；并且控制层可以包括大于第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸。
驱动器层可以以第一频率操作，并且控制层可以以低于该第一频率的第二频率操作。
控制层可以被配置成用第一电压电平驱动LED；并且电子显示器可以包括连接到驱动器层的另一个控制层；并且另一个控制层可以被配置成用高于第一电压电平的第二电压电平驱动不同于LED的、电子显示器的另一个部件。
中介层可以在驱动器层和另一个控制层之间，中介层可以包括在驱动器层与另一个控制层之间的其他电连接。
在根据本发明的实施例中，电子显示器可以包括在驱动器层与另一个控制层之间的另一个中介层，另一个中介层可以包括在驱动器层和另一个控制层之间的其他电连接。
另一个部件可以包括反射从LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
在根据本发明的实施例中，一种用于控制电子显示器的方法可以包括：
由包括一个或更多个驱动器的驱动器层生成控制信号；
由驱动器层和控制层之间的中介层将控制信号从驱动器层传输到控制层；以及
由控制层在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动电子显示器的发光二极管(LED)。
在根据本发明的实施例中，一种方法可以包括：
由控制层根据来自驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动LED；以及
由金属层将驱动电流从控制层传输到LED层，该金属层在控制层和包括LED的LED层之间。
由包括一个或更多个驱动器的驱动器层生成控制信号可以包括以下至少一项：
由面板驱动器生成包括数据信号和扫描信号的控制信号以提供给控制层；
由脉宽调制(PWM)驱动器生成包括PWM信号的控制信号以提供给控制层；或者
由配置的校准驱动器生成包括校准信号的控制信号以提供给控制层。
驱动器层可以包括第一最小特征尺寸；并且控制层可以包括大于第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸。
驱动器层可以生成包括第一频率的控制信号，并且控制层可以以低于第一频率的第二频率驱动LED。
由控制层根据来自驱动器层的控制信号驱动LED可以包括用第一电压电平驱动LED；并且该方法可以包括通过连接到驱动器层的另一个控制层以高于第一电压电平的第二电压电平驱动不同于LED的、电子显示器的另一个部件，另一个控制层经由以下之一连接到驱动器层：
驱动器层和控制层之间的中介层；或者
驱动器层和另一个控制层之间的另一个中介层。
另一个部件可以包括反射从LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
在根据本发明的实施例中，电子显示器可以包括：
中介层和驱动器层之间的另一个控制层；以及
驱动器层和另一个控制层之间的另一个中介层，另一个中介层包括在驱动器层和另一个控制层之间的电连接，驱动器层被配置成通过另一个中介层、另一个控制层、中介层向控制层提供控制信号。
另一个控制层可以以比控制层更高的电压操作，并且驱动器层可以以比控制层更低的电压操作。
控制层可以被配置成用第一电压电平驱动LED；并且另一个控制层可以被配置成以高于第一电压电平的第二电压电平驱动不同于LED的、电子显示器的另一个部件。
另一个部件可以是反射从LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
在根据本发明的实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质可以体现软件，该软件在被执行时可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
在根据本发明的实施例中，系统可以包括：一个或更多个处理器；以及耦合到处理器并包括由处理器可执行的指令的至少一个存储器，处理器当执行指令时可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
在根据本发明的实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品当在数据处理系统上被执行时可操作来执行根据本发明或任何上面提到的实施例的方法。
附图简述
图1是示出根据一个实施例的与头戴式显示器(HMD)相关联的系统的框图。
图2是根据一个实施例的图1的HMD的透视图。
图3是示出根据一个实施例的图2中HMD的前刚性主体的横截面图。
图4是示出根据一个实施例的电子显示器的框图。
图5是根据一个实施例的用于电子显示器的子像素(sub-pixel)的控制电路的示意图。
图6是根据一个实施例的用于控制电子显示器的子像素的过程的流程图。
图7A是根据一个实施例的在数据加载之后和校准之前的控制电路的示意图。
图7B是根据一个实施例的校准后的控制电路的示意图。
图8是根据一个实施例的用于电子显示器的控制系统的框图。
图9是根据一个实施例的用于电子显示器的控制系统的框图。
图10是根据一个实施例的电子显示器的多层结构的侧视图的示意图。
图11是根据一个实施例的电子显示器的多层结构的侧视图的示意图。
图12是根据一个实施例的电子显示器的多层结构的侧视图的示意图。
图13是根据一个实施例的电子显示器的多层结构的侧视图的示意图。
图14是根据一个实施例的用于电子显示器的子像素的控制电路的示意图。
图15是根据一个实施例的近眼显示器(NED)的示意图。
图16是根据实施例的图15所示NED的横截面。
图17是根据实施例的波导显示器的等轴视图。
图18是根据实施例的具有1D源的源组件的框图，该源组件输出经扫描的光(scanned light)。
图19是根据一个实施例的包括反射镜的多层结构的侧视图的示意图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。
详细描述
实施例涉及包括多层结构的电子显示器。多层结构可以为电子显示器提供减小的形状因子，这在诸如头戴式显示器的电子设备中是期望的。多层结构还可以在每层的基础上提供电子显示器的优化，从而提高系统性能。例如，多层结构可以包括为电子显示器提供控制信号的驱动器层、在来自驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)的控制层、驱动器层和控制层之间的中介层、控制层上用于将控制层连接到LED的金属层、以及在金属层上包括LED的LED层。
每一层都可以根据最佳性能和最佳形状因子进行不同的优化。例如，驱动器层可以包括比控制层更小的最小特征尺寸，或者可以以比控制层更高的频率操作。可以使用不同的制造工艺来制造不同的层，然后使用中介层进行接合。
图1示出了包括头戴式显示器(HMD)的系统100。系统100可以用作虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统、或它们的某种组合。在该示例中，系统100包括HMD 105、成像设备110和输入/输出(I/O)接口115，它们各自耦合到控制台120。尽管图1示出了单个HMD 105、单个成像设备110和一个I/O接口115，但在其他实施例中，系统中可以包括任意数量的这些部件。例如，可以有多个HMD 105，每个HMD 105具有相关联的输入接口115，并且由一个或更多个成像设备110监控，其中每个HMD 105、I/O接口115和成像设备110都与控制台120通信。在替代配置中，系统100中也可以包括不同的和/或附加的部件。HMD105可以充当VR HMD、AR HMD和/或MR HMD。MR HMD和/或AR HMD利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
HMD 105向用户呈现内容。示例内容包括图像、视频、音频、或它们的某种组合。音频内容可以经由HMD 105外部的独立设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现，该独立设备从HMD105、控制台120或两者接收音频信息。HMD 105包括电子显示器155、眼睛跟踪模块160、光学器件块(optics block)165、一个或更多个定位器170、惯性测量单元(IMU)175、头部跟踪传感器180、场景渲染模块185和辐辏(vergence)处理模块190。
电子显示器155具有多行有源矩阵架构，该多行有源矩阵架构相互独立地传递脉宽调制(PWM)、数据加载和校准。在一些实施例中，电子显示器155在眼睛位置检测的同时提供凝视跟随(gaze contingent)内容的显示。眼睛跟踪信息的检测被用作输入以生成凝视跟随内容(例如，其随后的视频帧)。
光学器件块165响应于来自控制台120的指令调整其焦距。在一些实施例中，光学器件块165包括多焦点块，以调整光学器件块165的焦距(调整光学功率)。
眼睛跟踪模块160跟踪HMD 105用户的眼睛位置和眼睛移动。电子显示器155的光检测器(例如，或者HMD 105中的其他地方)捕获用户眼睛的图像信息，并且眼睛跟踪模块160使用捕获的信息来确定眼睛跟踪信息，例如用户眼睛在显示面板上的聚焦区域和非聚焦区域、瞳孔间距离(interpupillary distance)、眼睛间距离(interocular distance)、每只眼睛相对于HMD 105的三维(3D)位置(例如，用于失真调整的目的)，该3D位置包括扭转和旋转(即，横滚、俯仰和偏航)的幅度、以及每只眼睛的凝视方向。用户眼睛的位置和定向的信息用于确定在由HMD 105呈现的虚拟场景中的凝视点，其中用户正在观看该虚拟场景。
辐辏处理模块190基于凝视点或由眼睛跟踪模块160确定的凝视线的所估计的交点(intersection)来确定用户凝视的辐辏深度。辐辏是双眼在相反方向上的同时移动或旋转，以保持两眼单视，这是由人眼自然且自动完成的。因此，用户眼睛趋向于的定位(location)是用户正在观看的位置，并且通常也是用户眼睛聚焦的定位。例如，辐辏处理模块190对凝视线进行三角测量，以估计距与凝视线的交点相关联的用户的距离或深度。然后，与凝视线的交点相关联的深度可以被用作调节距离(accommodation distance)的近似值，其标识用户眼睛所指向的位置距用户的距离。因此，辐辏距离允许确定用户眼睛应当聚焦的定位。
定位器170是相对于彼此并且相对于HMD 105上的特定参考点位于HMD 105上特定位置的对象。定位器170可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与HMD 805的操作环境形成对比的一种类型的光源、或它们的某种组合。有源定位器170(即，LED或其他类型的发光设备)可以发射在可见光波段(大约380nm至850nm)中、在红外(IR)波段(大约850nm至1mm)中、在紫外波段(10nm至380nm)中、电磁波谱的某个其他部分、或它们的某种组合中的光。
定位器170可以位于HMD 105的外表面之下，该外表面对于由定位器170发射或反射的光的波长是透光的，或者足够薄而基本上不会减弱由定位器170发射或反射的光的波长。此外，HMD 105的外表面或其他部分在可见光波长波段中可以是不透光(opaque)的。因此，定位器170可以在HMD 105的外表面下发射IR波段中的光，该外表面在IR波段中是透光的，但在可见光波段中是不透光的。
IMU 175是一种电子设备，其基于从一个或更多个头部跟踪传感器180接收的测量信号生成快速校准数据，头部跟踪传感器180响应于HMD 105的运动生成一个或更多个测量信号。头部跟踪传感器180的示例包括加速度计、陀螺仪、磁力计、适于检测运动、校正与IMU175相关联的误差的其他传感器、或它们的某种组合。头部跟踪传感器180可以位于IMU 175的外部、IMU 175的内部、或它们的某种组合。
基于来自头部跟踪传感器180的测量信号，IMU 175生成指示相对于HMD 105的初始位置的HMD 105的估计位置的快速校准数据。例如，头部跟踪传感器180包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、和横滚)的多个陀螺仪。例如，IMU 175对测量信号进行快速采样，并根据采样的数据计算HMD 105的估计位置。例如，IMU 175在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度向量，并在时间上对速度向量进行积分以确定HMD 105上参考点的估计位置。参考点是可以用来描述HMD 105的位置的点。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点被定义为HMD 105内的点(例如，IMU 175的中心)。替代地，IMU175向控制台120提供采样的测量信号，控制台120确定快速校准数据。
另外，IMU 175可以从控制台120接收一个或更多个校准参数。如下面进一步讨论的，一个或更多个校准参数用于保持跟踪HMD 105。基于接收到的校准参数，IMU 175可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数使得IMU 175将参考点的初始位置更新为对应于参考点的下一个校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于减少与确定估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)导致参考点的估计位置随着时间的推移偏离参考点的实际位置。
场景渲染模块185从引擎145接收虚拟场景的内容，并提供该内容用于在电子显示器155上显示。另外，场景渲染模块185可以基于来自IMU175、辐辏处理模块830和头部跟踪传感器180的信息来调整内容。场景渲染模块185基于跟踪模块140、头部跟踪传感器180或IMU 175中的一个或更多个来确定要在电子显示器155上显示的内容的一部分。
成像设备110根据从控制台120接收的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据包括显示定位器170的观察位置的一个或更多个图像，定位器170可由成像设备110检测。成像设备110可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器170的图像的其他设备、或它们的某种组合。另外，成像设备110可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。成像设备110被配置成检测从成像设备110视场中的定位器170发射或反射的光。在定位器170包括无源元件(例如，回射器)的实施例中，成像设备110可以包括照亮一些或所有定位器170的光源，定位器170将光回射到成像设备110中的光源。慢速校准数据从成像设备110传送到控制台120，并且成像设备110从控制台120接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
I/O接口115是允许用户向控制台120发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。I/O接口115可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括键盘、鼠标、手持控制器、手套控制器、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台120的任何其他合适的设备。由I/O接口115接收的动作请求被传送到控制台120，控制台120执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，I/O接口115可以根据从控制台120接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收到时，或者当控制台120向I/O接口115传送使I/O接口115在控制台120执行动作时生成触觉反馈的指令时，触觉反馈由I/O接口115提供。
控制台120根据从成像设备110、HMD 105或I/O接口115接收的信息向HMD 105提供内容以呈现给用户。控制台120包括应用储存器150、跟踪模块140和引擎145。控制台120一些实施例具有与结合图1描述的模块不同或附加的模块。类似地，下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台120的部件当中。
应用储存器150存储用于由控制台120执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由HMD 105的移动或I/O接口115而从用户接收的输入。应用的示例包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块140使用一个或更多个校准参数来校准系统100，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少在确定HMD 105位置时的误差。例如，跟踪模块140调整成像设备110的焦点，以获得HMD 105上观察到的定位器170的更精确的位置。此外，由跟踪模块140执行的校准也考虑了从IMU 175接收的信息。另外，如果HMD 105的跟踪丢失(例如，成像设备110丢失至少阈值数量的定位器170的视线)，则跟踪模块140可以重新校准一些或全部的系统100部件。
另外，跟踪模块140使用来自成像设备110的慢速校准信息来跟踪HMD 105的移动，并且使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和HMD105模型来确定HMD 105上参考点的位置。跟踪模块140也使用来自快速校准信息的位置信息来确定HMD 105上参考点的位置，该快速校准信息来自HMD 105上的IMU 175。另外，跟踪模块160可以使用部分快速校准信息、慢速校准信息、或它们的某种组合来预测被提供给引擎145的HMD 105的未来定位。
引擎145执行系统100内的应用，并从跟踪模块140接收HMD 105的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置、或它们的某种组合。基于接收到的信息，引擎145确定要提供给HMD 105以呈现给用户的内容，例如虚拟场景、要叠加在现实世界场景上的一个或更多个虚拟对象等。
在一些实施例中，引擎145维护光学器件块165的聚焦能力信息。聚焦能力信息是描述光学器件块165可获得的焦距的信息。聚焦能力信息可以包括，例如，光学器件块165能够提供的聚焦范围(例如，0到4屈光度)、聚焦分辨率(例如，25屈光度)、焦平面的数量、映射到特定焦平面的可切换半波片(SHWP)(例如，有源或非有源)的设置组合、映射到特定焦平面的SHWP和有源液晶透镜的设置组合、或它们的某种组合。
引擎145生成用于光学器件块165的指令，这些指令使得光学器件块165将其焦距调整到特定的定位。引擎145基于聚焦能力信息和例如来自辐辏处理模块190、IMU 175和头部跟踪传感器180的信息来生成指令。引擎145使用来自辐辏处理模块190、IMU 175和头部跟踪传感器180或它们的某种组合的信息来选择理想的焦平面以向用户呈现内容。引擎145然后使用聚焦能力信息来选择最接近理想焦平面的焦平面。引擎145使用聚焦信息来确定光学器件块165内与所选择的焦平面相关联的一个或更多个SHWP、一个或更多个有源液晶透镜或它们的某种组合的设置。引擎145基于所确定的设置来生成指令，并将指令提供给光学器件块165。
引擎145响应于从I/O接口115接收的动作请求来在控制台120上执行的应用内执行动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD 105的视觉或听觉反馈或者经由I/O接口115的触觉反馈。
图2示出了根据一些实施例的头戴式显示器(HMD)105。HMD 105包括前刚性主体205和带210。前刚性主体205包括电子显示器(未示出)、惯性测量单元(IMU)175、一个或更多个头部跟踪传感器180和定位器170。在一些实施例中，通过使用惯性测量单元175、头部跟踪传感器180和/或定位器170来检测用户移动，并且根据检测到的用户移动通过电子显示器向用户呈现图像。在一些实施例中，HMD 105可以用于向用户呈现虚拟现实、增强现实或混合现实。
头部跟踪传感器180响应于HMD 105的运动而生成一个或更多个测量信号。头部跟踪传感器180的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的任何其他合适类型的传感器、用于IMU 175的误差校正的一种类型的传感器、或它们的某种组合。头部跟踪传感器180可以位于IMU 175的外部、IMU 175的内部、或它们的某种组合。在图2中，头部跟踪传感器180位于IMU 175内，用户既看不见IMU 175，也看不见头部跟踪传感器180。
基于来自一个或更多个头部跟踪传感器180的一个或更多个测量信号，IMU 175生成指示相对于HMD 105的初始位置的HMD 105的估计位置的校准数据。在一些实施例中，IMU175对测量信号进行快速采样，并从采样的数据计算HMD 105的估计位置。例如，IMU 175在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度向量，并在时间上对速度向量进行积分以确定HMD 105上参考点的估计位置。替代地，IMU 17向控制台(例如，计算机)提供采样的测量信号，控制台确定校准数据。参考点是可以用来描述HMD 105的位置的点。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在实践中，参考点被定义为HMD 105内的点(例如，IMU 175的中心)。
定位器170相对于彼此并相对于参考点215位于前刚性主体205上的固定位置。在图2中，参考点215位于IMU 175的中心。每个定位器170发射可被成像设备(例如，照相机或图像传感器)检测到的光。在图2的示例中，定位器170或定位器170的某些部分位于前刚性主体205的前侧240A、顶侧240B、底侧240C、右侧240D和左侧240E上。
图3示出了图2中所示的HMD 105的前刚性主体205的横截面。前刚性主体205包括电子显示器155和光学块230。光学块230从电子显示器155向出射光瞳(exit pupil)250提供改变的图像光。出射光瞳250是前刚性主体205中用户眼睛245所处的定位。尽管图3中示出了单个光学块230，但前刚性主体205可以包括两个光学器件块，用户的每只眼睛一个光学器件块。
光学块230包括光学器件块165和眼罩(eye cup)255。眼罩255与前刚性主体205机械固定，并保持光学器件块165。电子显示器155朝向光学器件块165发射图像光。光学器件块165放大图像光，并且在一些实施例中，还校正一个或更多个附加光学误差(例如，失真、散光等)。光学器件块165将图像光导向出射光瞳250以呈现给用户。在一些实施例中，光学器件块165和眼罩255可以从光学块230中省略。
电子显示器155为光学块230发射图像光。如下文更详细讨论的，可以选择性地控制电子显示器155的各个区域来显示可变分辨率帧。对应于眼睛245的聚焦区域的电子显示器155的像素可以以原生(native)分辨率操作，其中像素被单独编程(例如，以帧的光栅方式)，而眼睛245的聚焦区域之外的像素可以以减小的分辨率操作，其中多个像素被编程为具有共同像素值的组。
图4是示出根据一个实施例的HMD 105中电子显示器155的框图。电子显示器155具有多行有源矩阵架构，该多行有源矩阵架构相互独立地传递脉宽调制(PWM)、数据加载和校准。其中，电子显示器155具有高度的灵活性来优化PWM、数据加载和校准。
电子显示器155具有显示面板400，显示面板400包括显示衬底402(或“衬底402”)、像素层404和光学层406。像素层404包括位于显示衬底402上的像素410的阵列。像素层404的像素410发光以向观众提供图像帧。显示衬底402为诸如像素410的各种部件提供结构支撑。显示衬底402还经由像素410的子像素与面板驱动器420、脉宽调制(PWM)驱动器422和校准驱动器424之间的迹线(trace lines)来提供电连接。显示衬底402可以是诸如聚合物的柔性衬底，或者是诸如薄膜晶体管(TFT)玻璃衬底的刚性衬底，并且包括有源矩阵架构。如结合图5更详细讨论的，面板驱动器420向电子显示器155的数据线提供数据信号426、向显示面板400的扫描线提供扫描信号428。PWM驱动器422提供PWM信号430，以向LED的驱动电流提供脉宽调制，并且校准驱动器424提供校准信号432，用于调整施加到每个LED的每个晶体管的栅极电压。
像素层404包括形成像素410的子像素。例如，像素410可以包括由分别提供红色、绿色和蓝色子像素的LED 412、414和416形成的子像素。多组LED 412、414和416彼此相邻地位于显示衬底402上，以形成像素410的矩阵。每个像素410的每个LED可以发射不同颜色的光。
在一些实施例中，每个像素410的LED各自是由“μLED”或“微LED”形成的，“μLED”或“微LED”是特定类型的LED，其具有小的有效发光区域(例如，小于2000μm2)和准直光输出。像素层404的LED可以被单独制造，然后结合到显示衬底402。例如，微LED可以在原生衬底(native substrate)上制造、单一化(singulated)，然后被转移到显示衬底402以形成像素层404。微LED可以位于显示衬底402的表面上，然后被结合以形成与显示衬底402(例如，包括TFT层)的线的电连接。本文讨论的校准可以应用于微LED，因为微LED的小尺寸和组装工艺会增加缺陷(例如，亮度不均匀(mura))的发生。在其他实施例中，像素校正被应用于其他类型的电子显示器，包括具有其他类型结构的那些电子显示器，例如有机发光二极管(OLED)、液晶显示器(LCD)或无机发光二极管(ILED)。
光学层406可以沉积在像素层404之上。光学层406可以包括传输从像素410发射的光的一个或更多个光学元件。光学层406可以包括增亮膜(BEF)、漫射器、偏振器等。光学层406可以改变穿过光学层406的光的特性，例如偏振定向、从显示面板提取光的效率等。光学层406也可以为像素层404的部件提供结构保护。在一些实施例中，光学层406从电子显示器155中省略。
图5是根据一个实施例的用于子像素的控制电路500的示意图。电子显示器155可以包括用于显示面板400的每个子像素的控制电路500，以控制子像素的LED 502。控制电路500提供传递脉宽调制(PWM)、数据加载和校准的多行有源矩阵架构。控制电路500包括晶体管504、晶体管506、晶体管508和晶体管510、电容器512以及LED 502。
晶体管506是LED 502的驱动晶体管。LED 502的第一端子连接到参考电压(GND)，并且LED 502的第二端子连接到晶体管506的源极。晶体管506的漏极连接到PWM驱动器420，以接收PWM信号430。晶体管506的栅极在节点A处与电容器512的第一端子和晶体管504的漏极连接。晶体管504的源极连接到面板驱动器420以接收数据信号426，并且晶体管504的栅极连接到面板驱动器420以接收扫描信号N 428。扫描信号N是指施加到控制电路500的子像素的扫描信号。
LED 502的第一端子还连接到晶体管508的源极。晶体管508的栅极连接到面板驱动器420，以接收扫描信号N 428。晶体管508的漏极与电容器512的第二端子和晶体管506的源极连接到节点B。晶体管506的栅极连接到面板驱动器420，以接收扫描信号N+1 428。扫描信号N+1指的是电子显示器155的相邻子像素的相邻扫描线的扫描信号，例如由面板驱动器420以光栅方式寻址的下一条扫描线。晶体管506的漏极连接到校准信号432。
如下面结合图6更详细讨论的，晶体管504、电容器512、晶体管508、数据信号426和扫描信号N 428用于向LED 502提供数据加载。PWM信号430用于为晶体管506提供脉宽调制信号以驱动LED 502。校准信号432、扫描信号N+1 428和晶体管506用于提供校准以调整施加到晶体管506的栅极电压。在一些实施例中，校准驱动器424是存储每个控制电路500的校准值(或“Vcal”)的存储器。电子显示器155的子像素或不同LED 502的Vcal可以不同，并且可以在制造后的校准中被确定并存储在校准驱动器424中。
控制电路500以及本文讨论的其他控制电路的晶体管可以包括薄膜晶体管(TFT)。在另一个示例中，可以用硅工艺来实现晶体管。晶体管可以包括n型晶体管、p型晶体管或n型和p型晶体管的组合。
图6是根据一个实施例的用于控制电子显示器155的子像素的过程600的流程图。过程600可以被执行以向子像素的LED 502提供脉宽调制(PWM)、数据加载和校准。
PWM驱动器422将控制电路500的PWM信号430设置605为低电平，以确保晶体管506在子像素编程期间保持断开(off)。如下面所讨论的，子像素在过程600中被编程，其中PWM信号430被设置为低电平，并且晶体管506被关断(turned off)。晶体管506是LED 502的驱动晶体管，因此LED 502也被关断，并且在子像素编程期间不发光。
对于控制电路500的晶体管504和510的栅极，面板驱动器420将扫描信号N 428设置610为高电平，并且对于晶体管504的源极，设置数据信号426为Vdata，使得晶体管504和510导通(turn on)，并且电容器512充电至Vdata。子像素的电容器512用Vdata编程，并且过程600进行到校准。
图7A是根据一个实施例的在数据加载之后和校准之前的控制电路500的示意图。对于晶体管504和508的栅极，扫描信号N 428被设置为高电平。PWM信号430和扫描信号N+1被设置为低电平。节点A具有电压Vdata，并且节点B连接到参考电压(GND)。因为晶体管506被关断，所以校准信号432可以被设置为Vcal或某个其他值，而不影响控制电路500的数据加载功能。
返回图6，对于晶体管508的栅极，面板驱动器420将扫描信号N 428设置615为低电平，导致电容器512变成浮置电容器。具体地，节点B从参考电压断开，并且跨节点A和节点B之间的电容器512的端子存储电压Vdata。晶体管504的栅极也可以被扫描信号N 428设置为低电平。
对于晶体管506的栅极，面板驱动器420将扫描信号N+1 428设置620为高电平。这导致晶体管506导通。例如，完成用Vdata对N扫描线的控制电路500的编程，并且面板驱动器420将扫描信号N 428设置为低电平，以及将扫描信号N+1设置为高电平，以向N+1扫描线的控制电路提供数据加载，同时提供控制电路500的校准。
对于晶体管506的漏极，校准驱动器424将校准信号432设置625为Vcal，以向节点B施加Vcal，导致节点A增加到Vdata+Vcal。具体地，节点B具有相对于参考电压的电压Vcal，并且电容器512存储电压Vdata，因此节点A具有相对于参考电压的电压Vdata+Vcal。节点A是浮置电容器512的高电势节点，而节点B是浮置电容器512的低电势节点。此外，节点A的电压被提供给驱动晶体管506的栅极。在数据加载和校准之后，如果Vdata+Vcal超过晶体管506的阈值栅极电压，则过程600进行到用PWM信号430驱动LED。
PWM驱动器422将PWM信号430设置630为高电平，导致如果晶体管506导通，则LED502根据PWM信号430发光。例如，PWM信号430被设置为高电平电压Vdd，以使电流流过晶体管506和LED 502。如果Vdata+Vcal满足晶体管506的阈值栅极电压，并且PWM信号430为Vdd，则晶体管506导通。如果Vdata+Vcal不满足晶体管506的阈值栅极电压(例如当Vdata处于低电平时)，则晶体管506关断(例如，与PWM信号430的电平无关)。
在电子显示器的每个扫描周期中，可以对子像素重复过程600。此外，可以使用过程600在扫描周期中控制电子显示器的每个子像素。
图7B是根据一个实施例的校准后的控制电路500的示意图。对于晶体管504和508的栅极，扫描信号N 428被设置为低电平。PWM信号430被设置为高电平Vdd。扫描信号N+1被设置为高电平以转变晶体管506。节点A具有电压Vdata+Vcal，而节点B具有电压Vcal。如果Vdata+Vcal满足晶体管506的阈值栅极电压，并且PWN信号430是Vdd，则驱动电流i流过晶体管506和LED 502，以使LED 502发光。PWM信号430的占空比(duty cycle)或其他属性可以被设置成控制LED 502的亮度。
图8是根据一个实施例的用于电子显示器155的控制系统800的框图。电子显示器155包括像素阵列，例如1920列×N行像素。电子显示器的像素分辨率(例如列尺寸)可以变化。例如，电子显示器可以包括M列，而不是具有1920列像素，其中M是整数值。
每个像素包括多个子像素，例如包括红色LED的红色子像素、包括蓝色LED的蓝色子像素和包括绿色LED的绿色子像素。每个子像素类型可以由控制系统800控制。例如，控制系统800可以包括1920列子像素×N行子像素。子像素行由连接到面板驱动器420的扫描线S1至SN控制。每行像素包括像素P1至P1920。面板驱动器420经由扫描线S1至SN向子像素行提供扫描信号428。尽管图8中未示出，但面板驱动器420还向每条扫描线N提供扫描信号N+1428(如上面结合图5、图6、图7A和图7B所讨论的)。面板驱动器420经由数据线D1至D1920向子像素列提供数据信号426。PWM驱动器422经由PWM线P1至PN向子像素行提供PWM信号430。PWM驱动器422对于所有颜色通道和子像素可以是全局的，因此来自PWM驱动器的一条PWM线可以被提供给像素的每个子像素。
校准驱动器424经由校准线C1至C1920向子像素列提供校准信号432。校准驱动器可以是存储器，该存储器具有由(像素数量×每个像素4比特)定义的尺寸。存储在存储器中的Vcal值可以在光学检查后被编程。如果使用实时校准来设置Vcal，则存储器是多次可编程的(MTP)。如果校准只执行一次，则存储器可以是一次性可编程的(OTP)。
电子显示器的多层制造
电子显示器155可以包括多层结构，该多层结构包括形成在独立的层上并堆叠在彼此之上的驱动器、用于LED的控制电路以及LED。多层结构减小了电子显示器155的形状因子，并提高了部件之间电互连的性能。图9是根据一个实施例的用于电子显示器的控制系统800的框图。在图9中，每个子像素具有LED 502和控制电路500。控制电路500是模拟部件，其提供驱动LED 502的电压和电流。面板驱动器420、PWM驱动器422和校准驱动器424是向控制电路500提供数字电压电平的数字部件。在一些实施例中，LED 502、包括控制电路500的模拟部件以及包括驱动器420、422和424的数字部件位于电子显示器155的多层结构的不同层中。
图10是根据一个实施例的电子显示器的多层结构1000的侧视图的示意图。多层结构1000包括数字驱动器层1002(也称为“驱动器层”)、中介层1004、模拟控制层1006(也称为“控制层”)、金属层1008和LED层1010。中介层1004位于数字驱动器层1002上，模拟控制层1006位于中介层1004上，金属层1008位于模拟控制层1008上，而包括1至N行LED1012的LED层1010位于金属层1008上。如图9所示，1至N行中的每一行可以包括多个LED，因此LED阵列(例如，形成像素)被限定在LED层1010中。
数字驱动器层1002包括向模拟控制层1006提供控制信号的一个或更多个驱动器。例如，数字驱动器层1002可以包括电子显示器155的驱动器，例如面板驱动器420、PWM驱动器422和校准驱动器424。与数字驱动器层1002集成的驱动器的类型可以变化。例如，PWM驱动器422可以用非脉冲驱动器代替。在另一个示例中，如果不使用校准，可以省略校准驱动器424。
数字驱动器层1002可以使用高频信号进行数据加载和处理，并且使用数字电压电平来控制模拟控制层1006的操作。在一些实施例中，数字驱动器层1002与多层结构的其他层分开被制造。在一些实施例中，数字驱动器层1002具有45纳米或更小的最小特征尺寸，例如通过使用45纳米或更小的制造节点来制造。在一些实施例中，数字驱动器层1002可以具有大于10GBps的接收器，并且集成在数字驱动器层中的电路的操作频率可以大于500MHz。当数字驱动器层仅包括数字块时，电压可以被设置为1.1V或更低。
中介层1004是在数字驱动器层1002和模拟控制层1006之间提供电互连的高密度无源层。中介层1004提供数字驱动器层1002的驱动器与模拟控制层1006的控制电路之间的互连，以将控制信号从数字驱动器层1002传输到模拟控制层1006。在一些实施例中，数字驱动器层1002和模拟控制层1006被分开制造，然后通过中介层1004接合并电互连。在一些实施例中，中介层1004包括用于电子显示器155的M列×N行像素的M列×N行互连(例如，图9中M＝1920)。
模拟控制层1006限定LED层1010中每个LED 1012的控制电路500。模拟控制层1006根据来自数字驱动器层1002的控制信号向LED层110中的LED 1012提供驱动电流。例如，晶体管504、506、508和510、用于数据信号426、校准信号432和PWM信号430的线、以及每个子像素的控制电路500的电容器512可以位于模拟控制层1006中。模拟控制层1006的频率可以由PWM信号430和N行像素来定义。在一些实施例中，模拟控制层1006的频率低于数字驱动器层1002的频率。如果LED 1012是微LED，那么模拟控制层1006的电压可以在3伏至5伏的量级(order)，该量级在本文中被称为中间电压(MV)电平。在一些实施例中，模拟控制层1006包括45纳米和60纳米之间的最小特征尺寸，例如可以使用45纳米或60纳米工艺节点(processnode)制造。
金属层1008在LED层1010和模拟控制层1006之间提供电连接。金属层1008将驱动电流从模拟控制层1006传输到LED层1010的LED 1012。金属层1008是可以沉积在模拟控制层1008上的上部金属化层，以与LED层1010形成微LED微组件。在一些实施例中，金属层1008是银(Au)层，尽管也可以使用诸如铜(Cu)、金(Au)或铜硅(Cu-Si)的其他材料。当LED 1012是微LED时，金属层1008可以包括细间距(fine pitch)以支持模拟控制层1008与LED 1012之间的互连。
多层结构1000的不同层可以分开制造，并且在一些实施例中使用不同的工艺，然后被堆叠以获得期望的形状因子。通过这种方式，可以优化每一层，以用最佳的形状因子获得组合的最佳性能。在一个示例中，数字驱动器层1002、模拟控制层1006和LED层1010的LED1012是分开制造的。数字驱动器层1002和模拟控制层1006通过中介层1004接合。LED 1012用金属层1008接合到模拟控制层1006。在一些实施例中，LED层1010和金属层1008以与模拟控制层1006相同的工艺被制造。
图11是根据一个实施例的电子显示器的多层结构1100的侧视图的示意图。多层结构1100包括数字驱动器层1102、中介层1104、中间电压(MV)模拟控制层1006、金属层1108、包括LED 1112的LED层1110和高电压(HV)模拟控制层1114。多层结构1000中对应部件的讨论可适用于多层结构1100。多层结构1100还包括位于中介层1104上的HV模拟控制层1114。中介层1104提供数字驱动器层1102的驱动器与HV模拟控制层1114之间的电互连，以及数字驱动器层1102的驱动器与MV模拟控制层1106之间的电互连。
HV模拟控制层1114可以以比MV模拟控制层1106更高的电压电平驱动电子显示器的部件。HV模拟控制层1114可以驱动除LED 1112之外的部件。例如，HV模拟控制层1114可以驱动微机电系统(MEMS)反射镜，该MEMS反射镜反射从LED层的LED或某个其他部件发射的光。HV模拟控制层1114可以根据经由中介层1104传输的、来自数字驱动器层1102的控制信号来控制部件。
在一些实施例中，HV模拟控制层1114以不同于数字驱动器层1102和MV模拟控制层1106的工艺被制造，然后经由中介层1104接合到多层结构。
图12是根据一个实施例的电子显示器的多层结构1200的侧视图的示意图。多层结构1200包括数字驱动器层1202、将数字驱动器层1202连接到MV模拟控制层1206的中介层1204。金属层1208位于MV模拟控制层上，并且包括LED 1212的LED层1210位于金属层1208上。多层结构还包括HV模拟控制层1216。多层结构1100中对应部件的讨论可适用于多层结构1200。多层结构1200与多层结构1100的不同之处在于，单独的中介层1214位于HV模拟控制层1216和数字驱动器层1202之间，并在二者之间提供电互连。特别地，中介层1214与将数字驱动器层1202连接到MV模拟控制层1206的中介层1204分离。
在一些实施例中，HV模拟控制层1216以不同于数字驱动器层1202和MV模拟控制层1206的工艺被制造，然后经由中介层1104接合到多层结构1200。
图13是根据一个实施例的电子显示器的多层结构1300的侧视图的示意图。多层结构1300包括数字驱动器层1302、将数字驱动器层1302连接到HV模拟控制层1316的中介层1304。另一中介层1306位于HV模拟控制层1316上，并将HV模拟控制层1316电连接到MV模拟控制层1308。金属层位于MV模拟控制层1308上，并在MV模拟控制层1308和LED层1314的LED1312之间提供电连接。
多层结构1200中对应部件的讨论可适用于多层结构1300。多层结构1300与多层结构1200的不同之处在于MV模拟控制层1308堆叠在HV模拟控制层1306上。这里，来自数字驱动器层1302的用于控制MV模拟控制层1308的信号穿过中介层1304、HV模拟控制层1316和中介层1306。
在一些实施例中，HV模拟控制层1316、数字驱动器层1302和MV模拟控制层1308以不同的工艺被制造。然后，这些分开制造的层通过中介层1306和1304接合并电连接，以形成多层结构1300。
图14是根据一个实施例的用于电子显示器的子像素的控制电路1400的示意图。控制电路1400类似于控制电路500，除了LED 1402处于共阳极拓扑(common anode topology)中。在共阳极拓扑中，LED 1402被放置在电源Vdd和驱动晶体管506的漏极之间。相反，控制电路500的LED 502处于共阴极拓扑(common cathode topology)中，其中LED 502被放置在驱动晶体管506的源极和参考电压(GND)之间。
取决于使用共阴极还是共阳极拓扑图(topography)，当Vdata被施加到驱动晶体管506的栅极时，驱动晶体管506的有效栅极-源极电压(Vgs,eff)是不同的。对于共阴极，驱动晶体管506的Vgs,eff等于Vdata-VLED，其中VLED是LED 502两端的电压。对于共阳极，驱动晶体管506的Vgs,eff等于Vdata。因此，对于相同的Vgs,eff(以及相同的LED驱动电流)，共阴极拓扑的Vdata必须高于共阳极拓扑。因此，与共阴极拓扑相比，共阳极拓扑可以用于提供更低的动态数据功率。
图15是根据实施例的近眼显示器(NED)1500的示意图。NED 1500向用户呈现媒体，并且是HMD 105的示例。由NED 1500呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频、或它们的某种组合。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从NED 1500、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。NED 1500通常被配置成作为VR NED进行操作。然而，在一些实施例中，可以修改NED 1500，从而也作为增强现实(AR)NED、混合现实(MR)NED、或它们的某种组合来进行操作。例如，在一些实施例中，NED 1500可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理现实世界环境的视图。
图15所示的NED 1500包括框架1505和显示器1510。框架1505耦合到共同向用户显示媒体的一个或更多个光学元件。在一些实施例中，框架1505可以表示眼镜的框架。显示器1510被配置成让用户看到NED 1500呈现的内容。显示器1510是包括多层结构的电子显示器155的示例。如下面结合图16所讨论的，显示器1510包括至少一个波导显示组件(未示出)，用于将一个或更多个图像光导向用户的眼睛。波导显示组件包括，例如，波导显示器、堆叠式波导显示器、变焦波导显示器、或它们的某种组合。堆叠式波导显示器是多色显示器，其通过对各自的单色源是不同颜色的波导显示器进行堆叠而被创建。
图16是根据实施例的图15所示NED 1500的横截面。显示器1510包括至少一个显示组件1610。出射光瞳250是当用户佩戴NED 1500时，眼睛245所处的定位。为了说明的目的，图16示出了与单只眼睛245和单个显示组件1610相关联的横截面，但是在未示出的替代实施例中，与图16所示的波导显示组件1610分离的另一个波导显示组件向用户的另一只眼睛245提供图像光。
如下面的图16所示，显示组件1610被配置成通过出射光瞳250将图像光导向眼睛245。显示组件1610可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成，该一种或更多种材料有效地最小化NED 1500的重量并拓宽其视场(下文简称为“FOV”)。在替代实施例中，NED 1500包括显示组件1510和眼睛245之间的一个或更多个光学元件。光学元件可以起到下列作用：例如，校正从显示组件1610发射的图像光中的像差、放大从显示组件1610发射的图像光、对从显示组件1610发射的图像光进行某种其他光学调节、或它们的某种组合。光学元件的示例可以包括光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响图像光的任何其他合适的光学元件。
在一些实施例中，显示组件1610包括一个或更多个波导显示器(包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等)的堆叠。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其通过对各自的单色源是不同颜色的波导显示器进行堆叠来被创建。
图17示出了根据实施例的波导显示器1700的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器1700(也可以被称为扫描波导显示器)是NED 1500的部件(例如，显示组件1610)。在替代实施例中，波导显示器1700是将显示器图像光导向特定定位的某个其他NED或其他系统的一部分。
波导显示器1700包括源组件1710、输出波导1720和控制器1730。为了说明的目的，图17示出了与单只眼睛245相关联的波导显示器1700，但是在一些实施例中，与波导显示器1700分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。在部分分离的系统中，每只眼睛的波导显示器之间可以共享一个或更多个部件。
源组件1710生成图像光。源组件1710包括下面参考图18详细描述的源1740、光调节组件1760和扫描反射镜组件1770。源组件1710生成图像光1745并将其输出到输出波导1720的耦合元件1750。
源1740是至少生成相干或部分相干图像光的源。源1740根据从控制器1730接收的一个或更多个照明参数来发光。源1740包括一个或更多个源元件，包括但不限于微LED。
输出波导1720是向用户的眼睛245输出图像光的光波导。输出波导1720在一个或更多个耦合元件1750处接收图像光1740，并将接收到的输入图像光引导至一个或更多个去耦元件1760。在一些实施例中，耦合元件1750将来自源组件1710的图像光1740耦合到输出波导1720中。耦合元件1750可以是例如，衍射光栅、全息光栅、将图像光1740耦合到输出波导1720中的某个其他元件、或它们的某种组合。例如，在耦合元件1750是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得发生全内反射(total internal reflection)，并且图像光1740向内朝向去耦元件1760传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
去耦元件1760将全内反射的图像光从输出波导1720去耦。去耦元件1760可以是例如，衍射光栅、全息光栅、将图像光从输出波导1720去耦出去的某个其他元件、或它们的某种组合。例如，在去耦元件1760是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得入射图像光离开输出波导1720。通过改变进入耦合元件1750的图像光1740的定向和位置来控制从输出波导1720离开的图像光的定向和位置。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
输出波导1720可以由有助于图像光1740的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导1720可以由例如，硅、塑料、玻璃、或聚合物、或它们的某种组合组成。对于头戴式显示器，输出波导1720具有相对小的形状因子。例如，输出波导1720可以沿x维度宽约50mm，沿y维度长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm-1mm。在一些实施例中，输出波导320是2D光波导。
控制器1730控制源组件1710的扫描操作。控制器1730至少基于一个或更多个显示指令来确定源组件1710的扫描指令。显示指令是用于渲染一个或更多个图像的指令。在一些实施例中，显示指令可以简单地是图像文件(例如，位图)。可以从例如，VR系统的控制台(这里未示出)接收显示指令。扫描指令是源组件1710用来生成图像光1740的指令。扫描指令可以包括例如，图像光源的类型(例如单色、多色)、扫描速率、扫描反射镜组件的定向、一个或更多个照明参数、或它们的某种组合。控制器1730包括这里未示出的硬件、软件和/或固件的组合，以避免模糊本公开的其他方面。
图18是根据实施例的具有1D源的图17的源组件1710的框图，源组件1710输出经扫描的光。源组件1710包括源1840和光学器件系统1850。源1840是图17的源1740的实施例。光学器件系统1850包括光调节组件1860和扫描反射镜组件1870。光调节组件1860是图17的光调节组件1760的实施例。扫描反射镜组件1870是图17的扫描反射镜组件1770的实施例。源组件1710根据来自图17的控制器1730的扫描指令生成光。
源1840是至少生成相干或部分相干图像光的源。源1840根据从控制器1730接收的一个或更多个照明参数来发光。源1840包括一个或更多个源元件1820。源元件1820可以是具有至少超高亮度、低功耗和低占用面积(footprint)的LED。源元件1820可以是例如，微LED、有机LED(OLED)、超辐射LED(SLED)和有机微LED。微LED是一种可以做得很小的LED，使得发光区域可以达到一微米至几十微米的量级。例如，在发光区域为几微米的情况下，基于GaN的无机LED可以比OLED亮几个数量级。源1840可以是1D源、2D源，或者具有某个其他维度。
在一个实施例中，源元件1820可以以凹形弯曲且直线的方式被布置。例如，源1840可以具有取决于显示器尺寸的从几毫米到几厘米的曲率半径，以及几毫米的长度。弯曲阵列的优势是，紧凑型透镜在曲面上具有高质量的图像要容易得多，而无需校正该透镜的像场弯曲。在替代实施例中，源元件1820可以以平坦且直线的方式被布置。
源元件1820向光学器件系统1850发射源光1845。在一些实施例中，源光1845可以发射一种或更多种颜色(例如红色、绿色和蓝色)。例如，源元件1820A发射红色源光，源元件1820B发射蓝色源光，以及源元件1820C发射绿色源光。另外，在一些实施例中，一个或更多个源元件可以发射红外光。
光学器件系统1850包括光调节组件1860和扫描反射镜组件1870。光调节组件1860调节源光1845，并将经调节的光(conditioned light)发射到扫描反射镜组件1870。经调节的光是被调节以入射到扫描反射镜组件1870上的光。光调节组件1860包括一个或更多个光学部件，该一个或更多个光学部件调节来自源1840的光。对来自源1840的光进行调节可以包括，例如，扩展、准直、对一个或更多个光学误差(例如，像场弯曲、色像差等)进行校正、光的某种其他调整、或它们的某种组合。光调节组件1860调节源光1845，并将经调节的光1865发射到扫描反射镜组件1870。
扫描反射镜组件1870包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件经由扫描反射镜组件1870的一个或更多个反射部分重定向图像光。其中图像光基于一个或更多个反射部分的特定定向被重定向。在一些实施例中，扫描反射镜组件包括单个扫描反射镜，该单个扫描反射镜被配置成在至少两个维度中进行扫描。在其他实施例中，扫描反射镜组件1870可以包括多个扫描反射镜，每个扫描反射镜在彼此正交的方向上进行扫描。扫描反射镜组件1870可以(水平地或垂直地)进行光栅扫描。在一些实施例中，扫描反射镜组件1870可以以特定的振荡频率沿水平和/或垂直方向执行受控的振动，以沿两个维度进行扫描并生成呈现给用户眼睛的媒体的二维投影线图像(line image)。例如，扫描反射镜组件1870可以基于期望的振荡频率沿着垂直方向经历峰间振幅(peak-to-peak amplitude)为每秒几百纳米的振荡。扫描反射镜组件1870基于经调节的光1865发射经扫描的光1875。扫描反射镜组件1870(根据扫描指令)以特定定向朝向输出波导1720输出经扫描的光1875。
在一些实施例中，扫描反射镜组件1870包括检流计反射镜(galvanometermirror)。例如，检流计反射镜可以表示任何机电仪器，其通过用一个或更多个反射镜偏转图像光束来指示其已经感测到电流。检流计反射镜可以被配置成在至少一个正交维度上进行扫描，以生成经扫描的光1875。来自检流计反射镜的经扫描的光1875表示呈现给用户眼睛的媒体的二维线图像。
控制器1730控制源1840和扫描反射镜组件1870。控制器1730获取内容进行显示，并将内容划分成离散的部分。控制器1730命令源1840顺序呈现离散部分。控制器1730指示扫描反射镜组件1870将所呈现的离散部分扫描到输出波导的耦合元件的不同区域。相应地，在输出波导1720的出射光瞳处，每个离散部分在不同的定位处被呈现。尽管每个离散部分在不同时间呈现，但是离散部分的呈现和扫描发生得足够快，使得用户的眼睛将不同部分集成到单个图像或一系列图像中。
例如，在源1840包括线性一维源元件1820阵列的实施例中，内容被控制器1730划分成线，其中线被扫描到输出波导1720的耦合元件的不同区域，使得在输出波导1720的出射光瞳处，每条线在不同定位处被呈现，用户眼睛将它们集成到单个图像或一系列图像中。
在一些实施例中，显示器1510包括多层结构。例如，中间电压模拟控制层(例如层1106、1206或1308)命令源1840顺序呈现离散部分，而高电压模拟控制层(例如层1114、1216或1316)命令扫描反射镜组件1870将呈现的离散部分扫描到输出波导1720的耦合元件的不同区域。这里，扫描反射镜组件1870是MEMS反射镜的示例。
图19是根据一个实施例的包括反射镜1902的多层结构1900的侧视图的示意图。多层结构1900类似于图11所示的多层结构1100，并且包括经由连接1904耦合到HV模拟控制层1114的反射镜1902。在一些实施例中，反射镜1902集成在HV模拟控制层1114上，而不是经由连接1904进行耦合。
实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不旨在是无遗漏的或将专利权限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本专利权的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。

Claims (35)

1.一种电子显示器，包括：
驱动器层，其包括被配置成提供控制信号的一个或更多个驱动器；
控制层，其包括控制电路，所述控制电路被配置成在来自所述驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)；以及
中介层，其在所述驱动器层和所述控制层之间，所述中介层包括在所述驱动器层的一个或更多个驱动器与所述控制层的控制电路之间的电连接，以将所述控制信号从所述驱动器层传输到所述控制层。
2.根据权利要求1所述的电子显示器，还包括：
LED层，其包括所述LED，所述控制层被配置成根据来自所述驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动所述LED；以及
金属层，其在所述控制层和所述LED层之间，所述金属层包括在所述控制层的控制电路与所述LED层的LED之间的电连接，以将所述驱动电流从所述控制层传输到所述LED层。
3.根据权利要求1所述的电子显示器，其中，所述驱动器层的一个或更多个驱动器包括以下至少一个：
面板驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括数据信号和扫描信号的控制信号；
脉宽调制(PWM)驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括PWM信号的控制信号；或者
校准驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括校准信号的控制信号。
4.根据权利要求1所述的电子显示器，其中：
所述驱动器层包括第一最小特征尺寸；并且
所述控制层包括大于所述第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸。
5.根据权利要求1所述的电子显示器，其中，所述驱动器层以第一频率操作，并且所述控制层以低于所述第一频率的第二频率操作。
6.根据权利要求1所述的电子显示器，其中：
所述控制层被配置成用第一电压电平驱动所述LED；并且
所述电子显示器还包括连接到所述驱动器层的另一个控制层；并且
所述另一个控制层被配置成用高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件。
7.根据权利要求6所述的电子显示器，其中，所述中介层位于所述驱动器层和所述另一个控制层之间，所述中介层包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的其他电连接。
8.根据权利要求6所述的电子显示器，还包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的另一个中介层，所述另一个中介层包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的其他电连接。
9.根据权利要求6所述的电子显示器，其中，所述另一个部件包括反射从所述LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
10.一种用于控制电子显示器的方法，包括：
由包括一个或更多个驱动器的驱动器层生成控制信号；
由所述驱动器层和控制层之间的中介层将所述控制信号从所述驱动器层传输到所述控制层；以及
由所述控制层在来自所述驱动器层的控制信号的控制下驱动所述电子显示器的发光二极管(LED)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
由所述控制层根据来自所述驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动所述LED；以及
由金属层将所述驱动电流从所述控制层传输到包括所述LED的LED层，所述金属层在所述控制层和所述LED层之间。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，由包括一个或更多个驱动器的所述驱动器层生成所述控制信号包括以下至少一项：
由面板驱动器生成包括数据信号和扫描信号的控制信号以提供给所述控制层；
由脉宽调制(PWM)驱动器生成包括PWM信号的控制信号以提供给所述控制层；或者
由配置的校准驱动器生成包括校准信号的控制信号以提供给所述控制层。
13.根据权利要求10所述的方法，其中：
所述驱动器层包括第一最小特征尺寸；并且
所述控制层包括大于所述第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述驱动器层生成包括第一频率的控制信号，并且所述控制层以低于所述第一频率的第二频率驱动所述LED。
15.根据权利要求10所述的方法，其中：
由所述控制层根据来自所述驱动器层的控制信号驱动所述LED包括用第一电压电平驱动所述LED；并且
所述方法还包括由连接到所述驱动器层的另一个控制层以高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件，所述另一个控制层经由以下之一连接到所述驱动器层：
所述驱动器层和所述控制层之间的所述中介层；或者
所述驱动器层和所述另一个控制层之间的另一个中介层。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述另一个部件包括反射从所述LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
17.根据权利要求1所述的电子显示器，还包括：
所述中介层和所述驱动器层之间的另一个控制层；以及
所述驱动器层和所述另一个控制层之间的另一个中介层，所述另一个中介层包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的电连接，所述驱动器层被配置成通过所述另一个中介层、所述另一个控制层、所述中介层向所述控制层提供所述控制信号。
18.根据权利要求17所述的电子显示器，其中，所述另一个控制层以比所述控制层更高的电压操作，并且所述驱动器层以比所述控制层更低的电压操作。
19.根据权利要求17所述的电子显示器，其中：
所述控制层被配置成用第一电压电平驱动所述LED；并且
所述另一个控制层被配置成用高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件。
20.根据权利要求19所述的电子显示器，其中，所述另一个部件是反射从所述LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
21.一种电子显示器，包括：
驱动器层，其包括被配置成提供控制信号的一个或更多个驱动器；
控制层，其包括控制电路，所述控制电路被配置成在来自所述驱动器层的控制信号的控制下驱动发光二极管(LED)；以及
中介层，其在所述驱动器层和所述控制层之间，所述中介层包括在所述驱动器层的一个或更多个驱动器与所述控制层的控制电路之间的电连接，以将所述控制信号从所述驱动器层传输到所述控制层。
22.根据权利要求21所述的电子显示器，还包括：
LED层，其包括所述LED，所述控制层被配置成根据来自所述驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动所述LED；以及
金属层，其在所述控制层和所述LED层之间，所述金属层包括在所述控制层的控制电路与所述LED层的LED之间的电连接，以将所述驱动电流从所述控制层传输到所述LED层。
23.根据权利要求21或22所述的电子显示器，其中，所述驱动器层的一个或更多个驱动器包括以下至少一个：
面板驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括数据信号和扫描信号的控制信号；
脉宽调制(PWM)驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括PWM信号的控制信号；或者
校准驱动器，其被配置成向所述控制层提供包括校准信号的控制信号。
24.根据权利要求21到23中的任一项所述的电子显示器，其中：
所述驱动器层包括第一最小特征尺寸；并且
所述控制层包括大于所述第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸。
25.根据权利要求21到24中的任一项所述的电子显示器，其中，所述驱动器层以第一频率操作，并且所述控制层以低于所述第一频率的第二频率操作。
26.根据权利要求21到25中的任一项所述的电子显示器，其中：
所述控制层被配置成用第一电压电平驱动所述LED；并且
所述电子显示器还包括连接到所述驱动器层的另一个控制层；并且
所述另一个控制层被配置成用高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件。
27.根据权利要求26所述的电子显示器，其中，所述中介层位于所述驱动器层和所述另一个控制层之间，所述中介层包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的其他电连接；和/或
还包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的另一个中介层，所述另一个中介层包括在所述驱动器层和所述另一个控制层之间的其他电连接；和/或
其中，所述另一个部件包括反射从所述LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
28.根据权利要求21到27中的任一项所述的电子显示器，还包括：
所述中介层和所述驱动器层之间的另一个控制层；以及
所述驱动器层和该另一个控制层之间的另一个中介层，该另一个中介层包括在所述驱动器层和该另一个控制层之间的电连接，所述驱动器层被配置成通过该另一个中介层、该另一个控制层、所述中介层向所述控制层提供所述控制信号。
29.根据权利要求28所述的电子显示器，其中，该另一个控制层以比所述控制层更高的电压操作，并且所述驱动器层以比所述控制层更低的电压操作。
30.根据权利要求28或29所述的电子显示器，其中：
所述控制层被配置成用第一电压电平驱动所述LED；并且
该另一个控制层被配置成用高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件；
可选地，其中该另一个部件是反射从所述LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
31.一种用于控制电子显示器的方法，包括：
由包括一个或更多个驱动器的驱动器层生成控制信号；
由所述驱动器层和控制层之间的中介层将所述控制信号从所述驱动器层传输到所述控制层；以及
由所述控制层在来自所述驱动器层的控制信号的控制下驱动所述电子显示器的发光二极管(LED)。
32.根据权利要求31所述的方法，还包括：
由所述控制层根据来自所述驱动器层的控制信号生成驱动电流以驱动所述LED；以及
由金属层将所述驱动电流从所述控制层传输到包括所述LED的LED层，所述金属层在所述控制层和所述LED层之间。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中，由包括一个或更多个驱动器的所述驱动器层生成所述控制信号包括以下至少一项：
由面板驱动器生成包括数据信号和扫描信号的控制信号以提供给所述控制层；
由脉宽调制(PWM)驱动器生成包括PWM信号的控制信号以提供给所述控制层；或者
由配置的校准驱动器生成包括校准信号的控制信号以提供给所述控制层。
34.根据权利要求31到33中的任一项所述的方法，其中：
所述驱动器层包括第一最小特征尺寸；并且
所述控制层包括大于所述第一最小特征尺寸的第二最小特征尺寸；和/或
其中，所述驱动器层生成包括第一频率的控制信号，并且所述控制层以低于所述第一频率的第二频率驱动所述LED。
35.根据权利要求31到34中的任一项所述的方法，其中：
由所述控制层根据来自所述驱动器层的控制信号驱动所述LED包括用第一电压电平驱动所述LED；并且
所述方法还包括由连接到所述驱动器层的另一个控制层以高于所述第一电压电平的第二电压电平驱动所述电子显示器的不同于所述LED的另一个部件，所述另一个控制层经由以下之一连接到所述驱动器层：
所述驱动器层和所述控制层之间的所述中介层；或者
所述驱动器层和所述另一个控制层之间的另一个中介层；
可选地，其中所述另一个部件包括反射从所述LED层的LED发射的光的微机电系统(MEMS)反射镜。
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