CN112292628B - 用于波导显示器的单芯片超光亮发光二极管阵列 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供光的源组件。该源组件包括源元件阵列和扫描反射镜组件。源元件阵列包括被配置成发光的超光亮二极管(SLED)的SLED阵列。SLED阵列位于单个芯片上。SLED阵列中的每个SLED可以发射相同颜色通道(例如，绿色)中的光。可以有多个SLED阵列，每个SLED阵列在各自的芯片上，并且每个SLED阵列与不同的颜色通道相关联(例如，一个是红色，一个是蓝色，一个是绿色)。扫描反射镜组件被配置成将从SLED阵列(和/或多个SLED阵列)发射的光作为扫描图像光扫描到输出波导(例如波导显示器的输出波导)的入射位置。

Description

用于波导显示器的单芯片超光亮发光二极管阵列
背景
本公开总体上涉及近眼显示器，特别地，涉及用于波导显示器的单芯片超光亮(superluminous)发光二极管(SLED)阵列。
在用于近眼显示器的传统显示器设计中，一些重要的考虑因素是亮度、帧速率、分辨率和紧凑性。传统近眼显示器中基于微机电系统(MEMS)微镜的二维(2D)扫描显示器的帧速率和分辨率通常受到MEMS微镜的谐振频率的限制。例如，在27千赫兹(kHz)操作并扫描1080行的光栅扫描MEMS微镜可能被限制在每秒35帧的帧速率(fps)。这个帧速率对于现代增强现实(augmented reality)和虚拟现实(virtual reality)应用来说是不够的。
概述
一种用于提供光的源组件。该源组件包括源元件阵列和扫描反射镜组件。源元件阵列包括被配置成发光的超光亮二极管(SLED)的SLED阵列。SLED阵列位于单个芯片上。在一些实施例中，SLED阵列中的每个SLED发射相同颜色通道(例如，绿色)中的光。在一些实施例中，有多个SLED阵列，每个SLED阵列在各自的芯片上，并且每个SLED阵列与不同的颜色通道相关联(例如，一个是红色，一个是蓝色，并且一个是绿色)。扫描反射镜组件被配置成将从SLED阵列(和/或多个SLED阵列)发射的光作为扫描图像光扫描到输出波导的入射位置(entrance location)。
在一些实施例中，源组件是波导显示器的一部分。波导显示器可以是人工现实(artificial reality)系统的一部分。波导显示器包括源组件和输出波导。输出波导包括输入区域和输出区域。输出波导被配置成在输入区域接收从扫描反射镜组件发射的扫描图像光。输出波导被配置成在至少一个维度上扩展接收的光，以形成扩展的图像光。输出波导被配置成从输出区域的一部分输出扩展的图像光。
在涉及源组件和波导显示器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(例如源组件)中提到的任何特征也可以在另一权利要求类别(例如波导显示器、系统、方法、存储介质和计算机程序产品)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。
在实施例中，一种源组件可以包括：
源元件阵列，该源元件阵列包括布置在单个芯片上的超光亮二极管(SLED)的SLED阵列，该SLED阵列被配置成发光；以及
扫描反射镜组件，该扫描反射镜组件被配置成将光作为扫描图像光扫描到输出波导的入射位置。
SLED阵列中的SLED可以布置在一维线性阵列中。
SLED阵列中相邻SLED之间的间距可以是至少30微米。
SLED阵列的每个SLED可以包括各自的脊形波导结构，该脊形波导结构限制由有源区域发射的光的光学模式(optical mode)，使得所限制的光学模式在第一维度传播。
在实施例中，一种源组件可以包括：
控制器，该控制器被配置成调整施加到SLED阵列中的SLED的控制信号，以减轻扫描图像光中的条带化(banding)。
控制器可以被配置成通过调整施加到SLED的控制信号使得扫描图像光的具有最小线密度的区域比扫描图像光的具有最大线密度的区域更亮，来减轻条带化。
SLED阵列可以被配置成发射第一光波段中的光，并且源元件阵列可以包括：
第二SLED阵列，该第二SLED阵列被配置成发射不同于第一光波段的第二光波段中的光。
在实施例中，一种源组件可以包括：
组合组件，该组合组件被配置成组合第一光波段中的光和第二光波段中的光，其中组合的光是被扫描反射镜组件扫描以形成扫描图像光的光。
第二SLED阵列可以在该芯片上。
第二SLED阵列可以在第二芯片上。
SLED阵列可以被配置成发射第一光波段和第二光波段中的光。
源组件可以是波导显示器的一部分。
在实施例中，一种波导显示器可以包括：
源元件阵列，该源元件阵列包括布置在单个芯片上的超光亮二极管(SLED)的SLED阵列，该SLED阵列被配置成发光；
被配置成扫描光以形成扫描图像光的扫描反射镜组件；
包括输入区域和输出区域的输出波导，该输出波导被配置成：
在输入区域接收从扫描反射镜组件发射的扫描图像光，在至少一个维度上扩展接收的光以形成扩展的图像光；以及从输出区域的一部分输出扩展的图像光。
SLED阵列中的SLED可以布置在一个维度中。
SLED阵列的每个SLED可以包括各自的脊形波导结构，该脊形波导结构限制由有源区域发射的光的光学模式，使得所限制的光学模式在第一维度传播。
在实施例中，一种波导显示器可以包括：
控制器，该控制器被配置成调整施加到SLED阵列中的SLED的控制信号，以减轻扫描图像光中的条带化。
SLED阵列可以被配置成发射第一光波段中的光，并且源元件阵列可以包括：
第二SLED阵列，该第二SLED阵列被配置成发射不同于第一光波段的第二光波段中的光。
在实施例中，一种波导显示器可以包括：
组合组件，该组合组件被配置成组合第一光波段中的光和第二光波段中的光，其中组合的光是被扫描反射镜组件扫描的光。
第二SLED阵列可以在该芯片上。
第二SLED阵列可以在第二芯片上。
在实施例中，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任何上面提到的实施例或在任何上面提到的实施例内的方法。
在实施例中，一种系统可以包括：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任何上面提到的实施例或在任何上面提到的实施例内的方法。
在实施例中，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，可操作来执行根据任何上面提到的实施例或在任何上面提到的实施例内的方法。
附图简述
图1是根据一个或更多个实施例的SLED阵列的等轴视图。
图2A是根据一个或更多个实施例的近眼显示器(NED)的示意图。
图2B是根据一个或更多个实施例的图2A中所示的NED的眼镜(eyewear)的横截面。
图3示出了根据一个或更多个实施例的波导显示器的等轴视图。
图4示出了根据一个或更多个实施例的源组件的框图。
图5示出了根据一个或更多个实施例的SLED阵列的剖视图(profile view)。
图6示出了根据一个或更多个实施例的组合组件。
图7示出了根据一个或更多个实施例的单一颜色的样本扫描路径。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到本文示出的结构和方法的替代实施例可以被采用而不偏离本文所述的本公开的原理或者所推崇的益处。附加的细节附在附录中。
公开综述
本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、近眼显示器(NED)、移动设备或计算系统或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
源组件向例如波导显示器提供光。源组件包括源元件阵列和扫描反射镜组件。源元件阵列包括被配置成发光的超光亮二极管(SLED)的SLED阵列。SLED阵列在单个芯片上。在各种实施例中，将多个SLED放置在单个芯片上(例如，在阵列中)能够减小每个SLED之间的距离。另外，将多个SLED放置在单个芯片上可以减小每个SLED的发射器距离的变化(例如，以<1微米的容差来用光刻方式(lithographically)限定发射器间距)。在一些实施例中，SLED阵列中的每个SLED发射相同颜色通道(例如，绿色)中的光。替代地，SLED阵列可以在单个芯片上包括不同颜色通道的SLED。
颜色通道是波长的特定光波段，并且该光波段可以相对较窄(例如，5nm)。颜色通道可以是波长的对应于可见光谱的某一部分(例如，红光、绿光、黄光、蓝光、紫光等)、红外光谱的某一部分或电磁光谱的某一其他部分的光波段。可见光谱中的颜色通道通常用于向用户呈现内容。可见光谱之外的颜色通道可用于例如提供可用于跟踪用户的眼睛移动的结构化光图案。
在一些实施例中，存在多个SLED阵列，每个SLED阵列位于各自的芯片上，并且每个SLED阵列与不同的颜色通道相关联(例如，一个是红色，一个是蓝色，一个是绿色)。光组合组件可用于将来自(不同芯片上的)不同SLED阵列的光组合成单个光束，该被光束提供给扫描反射镜组件。
扫描反射镜组件被配置成将从SLED阵列(和/或多个SLED阵列)发射的光作为扫描图像光扫描到输出波导的入射位置。扫描反射镜组件可以包括一个或更多个微机电系统(MEMS)反射镜来扫描光。注意到MEMS反射镜的帧速率和分辨率通常受到(MEMS反射镜的)谐振频率的限制，并且提高谐振频率以适应高帧速率可能非常困难。SLED阵列可被视为线源(line source)(即，沿1个维度布置的多个点源)。因此，在给定的时刻，图像的较大部分被扫描出(相对于点源)，从而允许有效帧速率的提高(相对于传统的点源扫描系统)，同时避免了与必须提高MEMS反射镜的谐振频率相关联的问题。
输出波导可以是例如波导显示器的一部分。波导显示器可以是人工现实系统的一部分。波导显示器包括源组件、输出波导和控制器。输出波导包括目标位置处的输入区域和输出区域。输出波导在输入区域接收扫描图像光，在至少一个维度上扩展(例如，通过光瞳(pupil)复制)扫描图像光，并从输出区域输出扩展的图像光。控制器控制光源和扫描反射镜组件。例如，控制器可以指示光源根据时间和/或扫描位置改变单独的SLED的亮度，以确保扩展的图像光具有均匀的亮度值。
图1是根据一个或更多个实施例的SLED阵列100的等轴视图。SLED阵列100包括在单个芯片110上的多个SLED。SLED是一种基于超光亮的边缘发射半导体光源。注意到虽然图1示出了SLED阵列100中的五个SLED，但是在其他实施例中，SLED阵列中的SLED数量可以不同。
每个SLED包括脊形波导(例如，脊形波导120)，该脊形波导限制由有源区域发射的光的光学模式，使得限制的光学模式在第一维度传播。脊形波导结构是具有一个或更多个纵向内部脊的圆形或矩形波导，由于存在围绕脊形波导的三个侧面的折射率低于脊的材料(例如空气)，该波导提供了更强的光学限制。与激光二极管不同，SLED被设计成防止光在脊形波导中来回循环。这使得光在时间上不相干(incoherent)。因此，从SLED阵列100发射的光130在空间上是相干的(例如，当它耦合到输出波导时，发散角小于2弧分)，并且在时间上是不相干的(例如，对于发射可见光波段中的光的源，相干长度在20到200微米的范围内)。关于光源的发射特性的附加细节可以在例如美国申请第15/650,612号中找到，该美国申请由此通过引用以其整体并入。
由SLED阵列100发射的光130通常是单色通道。然而，在一些实施例中，SLED阵列100可以包括发射不同颜色通道中的光的SLED。例如，SLED阵列可以包括在可见光波段的不同部分(例如，红色、绿色、蓝色)中发光、在可见光波段中发光、以及在IR波段中发光等等的SLED。
在未示出的实施例中，SLED阵列100可以具有扇出器件(fan-out device)结构。扇出器件结构可以减少SLED阵列100中每个SLED之间的像素串扰(cross talk)，同时保持像素间距的恒定值。扇出器件结构是如下的构造，其增加SLED之间的分离，使得来自第一SLED的图像光不耦合到来自相邻SLED的图像光中。扇出器件结构可以基于非透射材料的分离、每个SLED的单独波导/光纤、或它们的某种组合。扇出结构的附加细节在美国申请第15/896,392号中有所显示和描述，该美国申请由此通过引用以其整体并入。
图2A是根据一个或更多个实施例的近眼显示器(NED)200的示意图。NED 200向用户呈现媒体。由NED 200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 200、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 200通常被配置成在人工现实系统中进行操作。在一些实施例中，NED200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2A所示的NED 200包括框架205和显示器210。框架205包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件一起向用户显示媒体。显示器210被配置成让用户看到NED200呈现的内容。如下面结合图3所讨论的，显示器210包括用于产生图像光以向用户的眼睛呈现媒体的至少一个源组件。源组件包括例如源元件阵列。源元件阵列包括布置在单个芯片上的至少一个SLED阵列。在一些实施例中，NED也可以被称为头戴式显示器(HMD)。
图2B是根据一个或更多个实施例的图2A中所示的NED 200的横截面220。横截面220包括至少一个波导显示器230和视窗(eyebox)240。视窗240是当用户佩戴NED 200时眼睛250所位于的位置。在一些实施例中，框架205可以表示眼镜的框架。为了说明的目的，图2B示出了与单只眼睛250和单个波导显示器230相关联的横截面220，但在未示出的替代实施例中与图2B所示的波导显示器230分离的另一个波导组件向用户的另一只眼睛提供图像光。
如下面在图2B中所示，波导显示器230被配置成通过视窗240将图像光引导到眼睛250。波导显示器230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)构成，其有效地最小化NED 200的重量并加宽NED 200的视场(在下文中被简称为“FOV”)。在替代配置中，NED 200包括在波导显示器230和眼睛250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，校正从波导显示器230发射的图像光中的像差、放大从波导显示器230发射的图像光、对从波导显示器230发射的图像光进行某种其他光学调节、或者其某种组合。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。
波导显示器230包括用于产生图像光以将媒体呈现给用户的眼睛的源组件。源组件包括在单个芯片上的至少一个SLED阵列。下面将关于图3-图6详细讨论源组件。
在一些实施例中，波导显示器230包括跟踪用户的眼睛250的凝视位置的眼睛跟踪器(未示出)。眼睛跟踪器确定用户的眼睛250的眼睛跟踪信息。眼睛跟踪信息可以包括关于用户的眼睛250在视窗240中的位置和定向(orientation)的信息。在一些实施例中，源组件中的SLED阵列可以发射照亮眼睛250的红外结构化光图案。眼睛跟踪器的一个或更多个照相机捕获被照亮的眼睛250的图像，并使用一个或更多个捕获的图像来确定眼睛跟踪信息。波导显示器230可以在例如中央凹渲染(foveated render)和/或减轻辐辏调节(vergenceaccommodation)冲突中使用眼睛跟踪信息。
图3示出了根据一个或更多个实施例的波导显示器300的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器230是波导显示器300的实施例。波导显示器300可以是NED 200的一部分、某个其他NED或将显示图像光导向特定位置的其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单只眼睛250相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300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，用于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310生成图像光。源组件310包括源元件阵列340和光学系统345(例如，如下面关于图4进一步描述的)。源元件阵列340是使用放置在一个或更多个SLED阵列中的多个SLED生成图像光的光学部件。源元件阵列340中的每个SLED阵列(例如，类似于图1中所示的SLED阵列)在单个相应的芯片上(即，单片(monolithic))。源元件阵列340生成一个或更多个颜色通道(例如，红色、蓝色、绿色、红外等)中的图像光。下面参考图4进一步描述源元件阵列340。
光学系统345执行一组光学处理，包括但不限于对由源元件阵列340生成的图像光进行聚焦、组合、调节和扫描处理。在一些实施例中(未示出)，光学系统345包括组合组件、光调节组件和扫描反射镜组件，如下面结合图4详细描述的。源组件310生成图像光355并将图像光355输出到输出波导320的耦合元件350。
输出波导320是向用户的眼睛250输出图像光的光波导。输出波导320在一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并将接收到的输入图像光引导至一个或更多个去耦元件360。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是例如，衍射光栅、全息光栅、将图像光355耦合到输出波导320中的某个其他元件、或它们的某种组合。例如，在耦合元件350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355朝向去耦元件360在内部传播。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。
输出波导320在一个或更多个维度上扩展从光学系统接收的光。在一些实施例中，扩展图像光是由源组件310的光瞳在一个或更多个维度上的复制引起的。在一些其他实施例中，复制的光瞳可以彼此重叠。在各种实施例中，输出波导320可以在一个或更多个维度上扩展光，其中该一个或更多个维度不正交。在另外其他实施例中，输出波导320可以在两个或更多个正交维度(例如，x轴和y轴)上扩展接收的光。复制的光瞳可以填充部分或整个视窗(例如，视窗250)。例如，复制的光瞳直径为10nm至40nm，并且允许眼睛(例如，眼睛250)更容易被放置在视窗中。
去耦元件360将扩展的图像光从输出波导320去耦。去耦元件360可以是例如，衍射光栅、全息光栅、将图像光从输出波导320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360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320。例如，衍射光栅的间距可以在300nm至600nm的范围内。通过改变进入耦合元件350的图像光355的定向和位置来控制从输出波导320离开的图像光的定向和位置。
输出波导320可以由有助于图像光355的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导320可以由例如，硅、塑料、玻璃、或聚合物、或它们的某种组合组成。输出波导320具有相对小的形状因子。例如，输出波导320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。
控制器330控制源组件310的扫描操作。控制器330至少基于一个或更多个显示指令来确定用于源组件310的扫描指令。显示指令是用于再现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，人工现实系统的控制台(这里未示出)接收显示指令。扫描指令是由源组件310用来生成图像光355的指令。扫描指令可以包括例如颜色通道、扫描速率、扫描反射镜组件的定向、一个或更多个照明参数(下面参考图4描述的)、或它们的某种组合。控制器330包括硬件、软件和/或固件的组合，其没有在这里示出以避免模糊本公开的其他方面。
注意，扫描路径可能包括由与一个或更多个SLED阵列相关联的扫描反射镜组件的振荡(oscillation)引起的条带化。如下面关于图7详细讨论的，控制器可以指示源元件阵列340根据时间和/或扫描位置来改变单独的SLED的亮度，以确保扩展的图像光具有均匀的亮度值。
图4示出了根据一个或更多个实施例的源组件310的框图。源组件310包括源元件阵列410和光学系统420。源元件阵列340是源元件阵列410的实施例。光学系统345是光学系统420的实施例。
源组件310根据来自控制器330的扫描指令生成光。源组件310包括源元件阵列410和光学系统420。源元件阵列410是生成在空间上相干或在空间上部分相干而在时间上不相干的图像光的光源。源元件阵列410发射可见光波段(例如，从大约390nm到700nm)中的光，并且它可以发射连续光或脉冲光。在一些实施例中，源元件阵列410可以是具有宽发射光谱的密集封装的脊形波导的超光亮LED(SLED)阵列。源元件阵列410根据从控制器330接收的一个或更多个照明参数来发光。照明参数是由源元件阵列410使用来生成光的指令。照明参数可以包括例如波长、脉冲速率、脉冲振幅、光束类型(连续的或脉冲的)、影响所发射的光的其他参数或其某种组合。
源元件阵列410包括各自位于不同芯片上的一个或更多个SLED阵列(例如，SLED阵列100)。在一些实施例中，每个SLED阵列包括布置在一维线性行中的多个SLED。SLED阵列的每个SLED发射空间上相干而时间上不相干的光。
在一些实施例中，一个或更多个SLED阵列中的每个SLED阵列生成不同颜色通道的光。例如，第一芯片上的第一SLED阵列生成第一颜色通道的光(例如，红光)，第二芯片上的第二SLED阵列生成第二颜色通道的光(例如，绿光)，第三芯片上的第三SLED阵列生成第三颜色通道的光(例如，蓝光)。在其他实施例中，一个或更多个SLED阵列中的每个SLED阵列生成相同颜色通道的光。在一些实施例中，一个或更多个SLED阵列中的一个SLED阵列发射用于眼睛跟踪的波段中的光(例如，红外光)。
在一些实施例中，一个或更多个SLED阵列中的一个SLED阵列可以包括与不同颜色通道相关联的SLED。例如，SLED阵列可以包括芯片上发射第一颜色通道的光的SLED，并且还包括同一芯片上发射第二颜色通道的光的SLED。
在一些实施例中，源元件阵列410是一维线性SLED阵列，其中每个SLED对应于最终向用户显示的图像中的相应行。如以上关于图1所讨论的，每个SLED包括脊形波导。在一个实施例中，源元件阵列410包括每个脊形波导之间的恒定间距。在其他实施例中，SLED阵列可以在至少一些脊形波导之间包括不同的间距。
光学系统420包括一个或更多个光学部件，该光学部件调节来自源元件阵列410的光。调节来自源元件阵列410的光可以包括例如扩展、准直、根据来自控制器330的指令来调节定向、光的某个其他调节或者其某种组合。一个或更多个光学部件可以包括例如透镜、反射镜、光圈、光栅或其某种组合。从光学系统420(还有源组件310)发射的光被称为扫描图像光430。光学系统420在特定定向(根据扫描指令)朝着输出波导320输出扫描图像光430。
在图4所示的实施例中，光学系统420包括组合组件440、光调节组件450和扫描反射镜组件460。组合组件440将由源元件阵列410输出的源光470组合成组合光480。源光470可以包括来自多个SLED阵列的一个或更多个颜色通道的光。在该实施例中，使用不同位置的不同SLED阵列生成源光470，组合组件440用于将组成源光470的各种光束组合成组合光480的单个光束。下面将关于图6详细讨论组合组件440的示例。注意到可以使用其他结构来实现相同的功能。组合组件440将组合光480传输到光调节组件450。在替代实施例中，光学系统420不包括组合组件440。例如，源元件阵列410可以包括单个SLED阵列，并且源光470和组合光480是相同的。
在一些配置中，源组件310包括耦合到源元件阵列410的颜色转换器(未示出)，以向光调节组件450提供全色图像光。颜色转换器是将波长的具体波段的光转换到波长的不同波段(即，一个颜色通道转换到另一个颜色通道)的器件。颜色转换器可以包括掺杂光纤、磷光体、纳米磷光体、胶体和外延量子点。例如，颜色转换器可以包括将特定波长范围的图像光(例如，蓝色图像光)转换成绿色图像光的绿色转换器。
光调节组件450调节组合光480，并将经调节的光490发射到扫描反射镜组件460。经调节的光490是被调节以入射到扫描反射镜组件460上的光。光调节组件450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元件阵列410的光。对来自源元件阵列410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，场曲率、色差等)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450调节源光470，并将经调节的光490发射到扫描反射镜组件460。
扫描反射镜组件460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460的一个或更多个反射部分重定向图像光。图像光被重定向到的位置基于一个或更多个反射部分的具体定向。一个或更多个光学元件包括至少一个扫描MEMS反射镜。在一些实施例中，扫描反射镜组件460包括单个扫描MEMS反射镜，该单个扫描MEMS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460可以包括多个扫描MEMS反射镜，每个扫描MEMS反射镜在彼此正交的方向上进行扫描。扫描反射镜组件460可以执行光栅扫描(水平或垂直)、双谐振扫描(biresonant scan)或它们的某种组合。在一些实施例中，扫描反射镜组件460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(lineimage)。扫描反射镜组件460基于经调节的光490发射扫描图像光430。图像光335是扫描图像光430的实施例。在一些实施例中，如上文参考图3所述，扫描图像光430耦合到输出波导(例如输出波导320)。
在一个示例中，源组件310执行源光470的时间调制以发射时间调制的图像光，并且扫描反射镜组件460根据扫描图像光430的目标帧速率执行对时间调制的图像光的扫描。时间调制使得源组件310的每个光源与扫描反射镜组件460同步地重复扫描图像光430的投影，并因此有效地将扫描图像光430的刷新速率增加源组件310的每个颜色通道中SLED的数量。
扫描反射镜组件460根据源元件阵列410输出的源光470执行像素位置的阵列平移(array translation)，以实现期望的帧速率。例如，基于来自源元件阵列410的给定数量像素位置的期望亮度水平，扫描反射镜组件460从第一时间实例到第二时间实例移动一个像素位置。在另一个示例中，扫描反射镜组件460以比人眼的响应时间更短的时间延迟执行红-绿-蓝(RGB)像素的叠加，以引导全色图像光。在一些配置中，扫描反射镜组件460包括至少一个二维MEMS反射镜，该MEMS反射镜以降低的频率对经调节的光490执行扫描。在不执行阵列平移的典型扫描反射镜组件中，所需的频率可能高达50kHz至100kHz。相比之下，扫描反射镜组件460以基于源元件阵列410中的SLED数量的频率执行扫描。例如，当源元件阵列410包括发射红色图像光的三个SLED阵列时，扫描反射镜组件460的频率小于20kHz。在另一个示例中，扫描反射镜组件460包括以20kHz的频率执行扫描的二维MEMS反射镜。通过同时扫描多个源，源组件310能够具有大大超过传统单源扫描系统的帧速率的帧速率。例如，传统系统通常具有每秒大约35帧的帧速率(fps)，而源组件310可以具有70fps或更高的帧速率(例如，200fps)。
控制器330控制源元件阵列410和扫描反射镜组件460。控制器330获取用于显示的内容，并将内容划分成离散的部分。控制器330指示源元件阵列410使用与最终显示给用户的图像中的相应行相对应的单独SLED(或SLED阵列)来顺序地呈现离散部分。控制器330指示扫描反射镜组件460将所呈现的离散部分扫描到输出波导320的耦合元件的不同区域。因此，在输出波导320的视窗处，每个离散部分呈现在不同的位置处。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整合到单个图像或一系列图像中。控制器330还可以向源元件阵列410提供扫描指令，该扫描指令包括对应于源元件阵列410的单独SLED的地址和/或施加到单独SLED的电偏置。
扫描图像光430可能包括部分由在扫描反射镜组件460中重定向光的光学元件的振荡引起的条带化。如下面关于图7详细讨论的，控制器330可以指示源元件阵列410根据时间和/或扫描位置来改变单独SLED的亮度，以确保扫描图像光430具有均匀的亮度值。
图5示出了根据一个或更多个实施例的SLED阵列500的剖视图。在示出的示例中，SLED阵列500包括水平布置在半导体衬底510上的五个脊形波导，半导体衬底510包括单个芯片。图5的SLED阵列是上面结合图1所描绘的SLED阵列100的实施例。在图5中，每个脊形波导的顶部耦合到顶部电极530，而每个脊形波导的底部耦合到衬底510。如图5所示，衬底510耦合到公共底部电极520。顶部电极530和底部电极520都经由例如一个或更多个引线键合(wire bond)电耦合到控制器。
在各种实施例中，控制器(例如，控制器330)被配置成单独寻址与SLED阵列500相关联的五个脊形波导中的每一个。例如，向顶部电极530施加电流导致在顶部电极530和底部电极520之间形成电场。在前面的示例中，电场的形成导致在有源区域540中生成电流，从而调制由耦合到顶部电极530的脊形波导550发射的亮度光。在各种实施例中，所施加的电流的幅度与脊形波导的亮度改变相关。注意到虽然图5中示出了5个脊形波导，但是在其他实施例中，SLED阵列500可以包括某个其他数量(或更多或更少)的脊形波导。
图6示出了根据一个或更多个实施例的组合组件600。组合组件600是图4的组合组件450的实施例。组合组件600包括反射镜610和反射镜620。反射镜610和反射镜620是二向色镜(dichroic mirror)。反射镜610和反射镜620中的每一个都具有各自的透射通带和各自的反射通带。透射通带是反射镜610和反射镜620透射入射光的波段。反射通带是反射镜610和反射镜620反射入射光的波段。反射镜610具有包括由SLED阵列630发射的光的透射通带，并且具有包括由SLED阵列640发射的光的反射通带。相比之下，反射镜620具有包括由SLED阵列630和SLED阵列640发射的光的透射通带，并且具有包括由SLED阵列650发射的光的反射通带。来自SLED阵列630的光被反射镜610透射。来自SLED阵列640的光被反射镜610反射，使得其产生部分组合的光660。部分组合的光660被反射镜620透射。而来自SLED阵列650的光被反射镜620反射，使得它与部分组合的光660组合以形成组合光670。虽然图6示出了包括两个反射镜和三个不同的SLED阵列的示例，但是在其他实施例中，更多和/或更少的反射镜和/或SLED阵列可以以类似的方式组合以形成组合光670。
图7示出了根据一个或更多个实施例的单个SLED阵列(例如，SLED阵列100)的样本扫描路径700的一部分。每条虚线表示来自不同SLED的光，这些SLED是该SLED阵列的一部分。扫描路径包括由与SLED阵列相关联的扫描反射镜组件的振荡引起的条带化。例如，扫描反射镜组件的线密度和扫描仪速度根据水平视场角而变化。当扫描出由每个SLED描绘的线时，这些线可以交叉，导致多个高线密度区域(例如，区域710)和多个低线密度区域(例如，区域720)。低线密度区域包括最小线密度，而高线密度区域包括最大线密度。在各种实施例中，最小线密度通常是最大线密度的一半。例如，高线密度区域可以具有每度20至80条线的线密度。线密度的这种不均匀性可以表现为图像光中的条带化(即，低密度线区域看起来具有与高密度线区域不同的亮度)。
在实施例中，控制器(例如，控制器330)调节施加到与SLED阵列相关联的每个SLED的控制信号(例如，电流或电压)，以减轻从扫描反射镜组件输出的光的条带化。为了使所感知的亮度均匀，控制器可以调整一个或更多个SLED发出的光的亮度。控制器可以例如增加低密度线区域(例如，低线密度区域720)中一个或更多个SLED的亮度，降低高密度线区域(例如，高线密度区域710)中一个或更多个SLED的亮度，或者这两种操作的某种组合，使得低线密度区域和高线密度区域之间的相对亮度相同(或者在彼此的阈值内)。
附加的配置信息
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开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。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者适于存储电子指令的任何类型的介质中，这些介质可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
最后，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，意图是本公开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。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种源元件组件，包括：
布置在单个芯片上的超光亮发光二极管SLED的第一SLED阵列，所述第一SLED阵列被配置成发射第一光波段中的光；以及
布置在单个芯片上的SLED的第二SLED阵列，所述第二SLED阵列被配置成发射第二光波段中的光；
其中，从所述第一SLED阵列发射的光和从所述第二SLED阵列发射的光组合以形成组合的光。
2.根据权利要求1所述的源元件组件，其中，所述SLED阵列中的SLED布置在一维线性阵列中。
3.根据权利要求2所述的源元件组件，其中，所述SLED阵列中相邻SLED之间的间距至少是30微米。
4.根据权利要求2所述的源元件组件，其中，所述SLED阵列的每个SLED包括各自的脊形波导结构，所述脊形波导结构限制由有源区域发射的光的光学模式，使得所限制的光学模式在第一维度传播。
5.根据权利要求1所述的源元件组件，还包括：
扫描反射镜组件，其被配置成将光作为扫描图像光扫描到输出波导的入射位置；以及
控制器，其被配置成调整施加到所述SLED阵列中的SLED的控制信号，以减轻所述扫描图像光中的条带化。
6.根据权利要求5所述的源元件组件，其中，所述控制器被配置成通过调整施加到SLED的控制信号使得所述扫描图像光的具有最小线密度的区域比所述扫描图像光的具有最大线密度的区域更亮，来减轻条带化。
7.根据权利要求1所述的源元件组件，其中：
所述第二SLED阵列被配置成发射不同于所述第一光波段的第二光波段中的光。
8.根据权利要求7所述的源元件组件，还包括：
组合组件，其被配置成组合所述第一光波段中的光和所述第二光波段中的光，其中组合的光是被扫描反射镜组件扫描以形成扫描图像光的光。
9.根据权利要求7所述的源元件组件，其中，所述第二SLED阵列在所述芯片上。
10.根据权利要求7所述的源元件组件，其中，所述第二SLED阵列在第二芯片上。
11.根据权利要求1所述的源元件组件，其中，所述SLED阵列被配置成发射第一光波段和第二光波段中的光。
12.根据权利要求1所述的源元件组件，其中，所述源元件组件是波导显示器的一部分。
13.一种波导显示器，包括：
根据权利要求1所述的源元件组件；
扫描反射镜组件，其被配置成扫描光以形成扫描图像光；
输出波导，其包括输入区域和输出区域，所述输出波导被配置成：
在所述输入区域接收从所述扫描反射镜组件发射的所述扫描图像光，
在至少一个维度上扩展接收的光以形成扩展的图像光；以及
从所述输出区域的一部分输出所述扩展的图像光。
14.根据权利要求13所述的波导显示器，其中，所述SLED阵列中的SLED布置在一个维度上。
15.根据权利要求14所述的波导显示器，其中，所述SLED阵列的每个SLED包括各自的脊形波导结构，所述脊形波导结构限制由有源区域发射的光的光学模式，使得所限制的光学模式在第一维度传播。
16.根据权利要求13所述的波导显示器，还包括：
控制器，其被配置成调整施加到所述SLED阵列中的SLED的控制信号，以减轻所述扫描图像光中的条带化。
17.根据权利要求13所述的波导显示器，其中：
所述第二SLED阵列被配置成发射不同于所述第一光波段的第二光波段中的光。
18.根据权利要求17所述的波导显示器，还包括：
组合组件，其被配置成组合所述第一光波段中的光和所述第二光波段中的光，其中组合的光是被所述扫描反射镜组件扫描的光。
19.根据权利要求17所述的波导显示器，其中，所述第二SLED阵列在所述芯片上。
20.根据权利要求17所述的波导显示器，其中，所述第二SLED阵列在第二芯片上。
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