CN114639338A - 优化发光显示器的光束成形 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及优化发光显示器的光束成形。提供了一种用于优化包括发光元件的阵列的显示器的光束成形的方法，以便调整光波导中的光图案的角度分布其中，每个发光元件对应于所述显示器的一像素。该方法包括针对光波导的亮度的位置和角度特性模拟(S1)亮度分布的步骤。该方法还包括针对光波导的亮度的位置和角度特性测量(S2)亮度分布的步骤。该方法还包括比较(S3)光波导的模拟的亮度分布和测量的亮度分布的步骤。此外，该方法还包括基于模拟的亮度分布和测量的亮度分布为显示器的每种颜色的每个像素定义(S4)最佳发射图案的步骤。

Description

优化发光显示器的光束成形
技术领域
本发明涉及优化发光显示器、尤其是微型LED显示器的光束成形，以尤其是在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)和混合现实(MR)应用中实现来自全息波导的均匀光输出耦合。
背景技术
通常，微型LED显示器具有许多优点，例如效率高、使用寿命长、色域宽和生产成本相对便宜，这导致尤其是在AR、VR和MR头戴式受话器中，此类显示器的应用范围很广。然而，LED的典型光分布显示出明显的朗伯轮廓，这对于在目标平面上实现均匀照度不是最佳的或有效的。为了实现适应的光束轮廓，实施光束成形、尤其是微型LED显示器的每像素的光束成形，以解决给定光分布到定制形式的转换。
例如，文献EP 3 667 720A1示出了具有LED阵列的LED器件，该LED阵列具有微米范围的LED像素间距。与从LED阵列输出的光的发射角相比，由LED器件提供的光的发射角减小，尤其是通过实施像素级光束成形而减小。然而，显示器的每个像素的光束仍然具有导致横向色散的角度分布，例如，在同一像素的不同角度之间的全息波导的输出耦合光栅处。不同的角度或不同的波长甚至可能在波导中遇到不同数量的反射，从而导致衰减不同。这可能导致输出耦合光的强度的变化，这取决于眼睛感知的角度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于解决上述限制的方法和显示系统。
该目的通过关于方法的第一独立权利要求的特征和关于显示系统的第二独立权利要求的特征来实现。从属权利要求包含进一步的改进。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于优化包括发光元件的阵列的显示器的光束成形的方法，每个发光元件对应于所述显示器的一像素，以便调整光波导中的光图案的角度分布。该方法包括针对光波导的亮度的位置和角度特性模拟亮度分布的步骤。这特别是通过模拟每种颜色在整个视窗区域上的每个视窗位置的光波导衰减和最佳衍射效率来实现的。该方法还包括针对光波导的亮度的位置和角度特性测量亮度分布的步骤。
该方法还包括比较光波导的模拟的亮度分布与测量的亮度分布的步骤。此外，该方法还包括基于模拟的亮度分布和测量的亮度分布为显示器的每种颜色的每个像素定义最佳发射图案的步骤。此外，该方法包括从最佳发射图案实现显示器的每像素的透镜几何形状的步骤。
此外，该方法包括：在数字处理中，基于所实现的透镜几何形状，处理显示器的每像素的透镜系统的步骤。与模拟透镜成形相反，数字透镜成形过程(例如镶嵌过程)依赖于高折射率材料到低折射率材料(例如超透镜、菲涅尔透镜、全息光学元件、衍射光学元件等)的阶跃高度和宽度变化。
因此，由波导的衰减和衍射引起的光强度的变化通过晶圆级光学器件修改显示器(例如微型LED显示器)的每个单独像素的光束形状、尤其是通过在每个单独LED像素顶部上实现高折射率材料的任意形状的数字透镜来补偿。本发明的解决方案特别有利于当光学器件基于利用瞳孔扩展和利用微型LED显示器作为光源的波导技术的情况，其中本发明的解决方案基于与波导设计的协同优化而允许像素级透镜的任意形状。在这方面，术语“光学器件”是指将光引导到不同视窗(eye box)的组合器光学器件，其中包含用于瞳孔扩展的附加子解决方案。然而，本发明的解决方案不限于波导技术，并且对于光学器件是基于自由空间或引导空间的情况也是有利的。
根据本发明的所述第一方面的第一优选实施形式，亮度分布的测量包括测量关于光波导上的多个预定测试点的亮度分布的步骤。所述测试点优选地通过输出耦合光栅或波导的表面散射，其中测量优选地包括针对不同视角(例如左边缘、中心和右边缘)的亮度分布的测量。有利地，感知到高度的准确度以便经由波导的光学测量或模拟来识别出输出耦合光的亮度变化。
根据本发明的所述第一方面的第二优选实施形式，最佳发射图案的定义包括以下步骤：关于微型LED显示器和光波导的相对位置，定义显示器的每像素、每颜色的最佳发射图案。有利地，优化每个像素的光发射轮廓以补偿波导在每个位置和每个相关角度处针对每种颜色的不同衰减，以实现稳定的颜色混合。
根据本发明的所述第一方面的另一优选实施形式，透镜几何形状的实现包括以下步骤：在光线追踪中定义显示器和光波导的相应定位；优化透镜系统的偏移和形状，从而获得任意函数的透镜几何形状，直到实现最佳发射图案；以及将透镜几何形状转换为数字图案，从而实现任意形状的数字光学器件。有利地，可以以最佳光输出耦合效率实现最接近目标光束形状的每像素的光束形状或发射波瓣。
根据本发明的所述第一方面的另一优选实施形式，处理透镜系统包括以下步骤：将低折射率材料沉积到发光元件、尤其是发光二极管的表面上，基于所实现的透镜几何形状使用掩模图案进行干蚀刻，并用高折射率材料重新填充，其中，高折射率优选接近发光二极管的材料的折射率。需要预见额外的平面化步骤(CMP)或添加用作干蚀刻过程的蚀刻停止部的层。替选地，可以使用厚的抗蚀剂作为干蚀刻掩模来实施高折射率材料中的多步干蚀刻过程，其中，低折射率材料是空气。
此外，还可以设想，沉积低折射率材料和高折射率材料的处理顺序可以以相反的方式实施。例如，可以设想，高折射率材料可以沉积到发光元件的表面上，基于所实现的透镜几何形状使用掩模图案干蚀刻，然后使用低折射率材料重新填充。
根据本发明的所述第一方面的另一优选实施形式，该方法还包括在有限差分时域模拟中验证每像素的透镜几何形状的步骤。附加地或替选地，该方法还包括在有限差分时域模拟中验证像素簇的透镜几何形状的步骤。有利地，进一步提高了优化透镜系统的形状的准确度，这是因为在有限差分时域模拟中可以考虑干涉图案。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于优化包括发光元件(每个发光元件对应于所述显示器的一像素)的阵列的显示器的光束成形的系统，以便调整光波导中的光图案的角度分布。所述系统包括模拟装置，该模拟装置配置为针对光波导的亮度的位置和角度特性模拟亮度分布。该系统还包括测量装置，该测量装置配置为针对光波导的亮度的位置和角度特性测量亮度分布。
此外，该系统包括处理装置，该处理装置配置为比较光波导的模拟的亮度分布与测量的亮度分布。此外，处理装置还配置为基于模拟的亮度分布和测量的亮度分布为显示器的每种颜色的每个像素定义最佳发射图案。此外，处理装置被配置为根据最佳发射图案实现显示器的每像素的透镜几何形状。此外，该系统包括制造装置，该制造装置配置为在数字处理中，基于所实现的透镜几何形状，处理显示器的每像素的透镜系统。
因此，通过晶圆级光学器件修改显示器的每个单独像素的光束形状、尤其是通过基于波导的性质(例如衍射效率)实现显示器的每像素的任意形状的透镜，而补偿了由波导的衰减和衍射引起的光强度变化。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实施形式，处理装置还配置为在光线追踪中定义显示器和光波导的相应定位。此外，处理装置还配置为优化透镜系统的偏移和形状，从而获得任意函数的透镜几何形状，直到实现最佳发射图案。此外，处理装置还配置为将透镜几何形状转换为数字图案，从而实现任意形状的数字光学器件。有利地，可以以最佳光输出耦合效率实现最接近目标光束形状的每像素的光束形状或发射波瓣。
根据本发明的所述第二方面的另一优选实施形式，制造装置还配置为通过以下来处理透镜系统：将低折射率材料沉积到发光元件、尤其是发光二极管的表面上，基于所实现的透镜几何形状使用掩蔽图案进行干蚀刻，以及使用高折射率材料重新填充，其中高折射率优选接近发光二极管材料的折射率。需要预见额外的平面化步骤(CMP)或添加用作干蚀刻过程的蚀刻停止部的层。替选地，可以使用厚的抗蚀剂作为干蚀刻掩模来实施高折射率材料的多步干蚀刻过程，其中低折射率材料是空气。
根据本发明的第三方面，提供了一种显示器。该显示器包括发光元件的阵列；每个发光元件对应于显示器的像素布置。像素布置包括用于每个像素的发光元件。像素布置还包括透镜系统，该透镜系统包括光学耦合在每个发光元件顶部上的任意形状的数字光学器件，其中，该任意形状的数字光学器件包括至少第一层和至少第二层。在该背景下，透镜系统的几何形状用根据本发明的第一方面的方法优化。
根据本发明的所述第三方面的第一优选实施形式，任意形状的数字光学器件由优选接近发光元件材料的折射率的高折射率材料构成。例如，发光元件材料(例如LED组合物合金)可以分别由折射率为2.4或3.4的氮化镓或磷化铝铟镓构成。在这方面，用于光学器件层或透镜的高折射率材料的选择可以是包含硅的高折射率氮化物(例如，SiN)，包含钛、铪、钽等的高折射率氧化物。
根据本发明的所述第三方面的第二优选实施形式，任意形状的数字光学器件的特征尺寸(即临界大小(CD))小于发光元件发射的最小波长的1/4。最小的允许特征尺寸允许更多的层，这有利地提高了光的传输效率。
附图说明
现在仅通过示例而非限制性的方式关于附图进一步解释本发明的示例性实施方式。附图中：
图1示出了根据本发明的第一方面的方法的示例性实施方式；
图2示出了在具有反射光栅的波导中的光传播；
图3示出了具有显示器和波导的示例性显示器布置，波导具有用于瞳孔扩展的反射全息图；
图4A示出了在波导的输出耦合光栅上选择的示例性测试点；
图4B是在图4A的不同测试点处的示意性亮度分布；
图5示出了根据本发明的第二方面的系统的示例性实施方式；
图6A示出了没有透镜的LED的发射图案的3D有限差分时域模拟；
图6B示出了具有球面透镜的LED的发射图案的3D有限差分时域模拟；
图6C示出了具有非球面透镜的LED的发射图案的3D有限差分时域模拟；
图6D示出了具有偏移中心200nm的非球面透镜的LED的发射图案的3D有限差分时域模拟；
图7通过示例示出了定义目标函数的光线追踪过程；
图8A示出了示例性的三层菲涅尔透镜；
图8B示出了示例性的三层球面透镜；
图9示出了在高折射率材料中实施两层菲涅尔透镜的示例性过程序列；
图10A示出了用两步干蚀刻过程实施的像素级菲涅尔透镜的倾斜顶视图；
图10B示出了用两步干蚀刻过程实施的像素级菲涅尔透镜的侧视图；以及
图11是根据本发明的第三方面的显示器的示例性实施方式。
具体实施方式
现在将详细参考其示例在附图中示出的本发明的实施方式。然而，可以对本发明的以下实施方式进行各种修改，并且本发明的范围不受以下实施方式的限制。
在图1中，示出了根据本发明的第一方面的方法的示例性实施方式。在第一步骤S1中，针对光波导的亮度的位置和角度特性模拟亮度分布。在第二步骤S2中，针对光波导的亮度的位置和角度特性测量亮度分布。在第三步骤S3中，比较光波导的模拟的亮度分布与测量的亮度分布。在第四步骤S4中，基于模拟的亮度分布和测量的亮度分布，为显示器的每种颜色的每个像素定义最佳发射图案。在第五步骤S5中，根据最佳发射图案实现显示器的每像素的透镜几何形状。最后，在第六步骤S6中，在数字处理中，基于所实现的透镜几何形状，处理显示器的每像素的透镜系统。
在图2中，示出了在具有反射光栅的波导21中的光传播。沿波导21反弹的光在输入耦合光栅(或全息图)22与输出耦合光栅(或全息图)23之间经历全内反射(TIR)。TIR反弹的次数取决于输入耦合光栅22和输出耦合光栅23之间的间隔距离、衬底的厚度以及由输入耦合光栅22处的衍射引起的重构角。输出耦合光栅23然后将光以光线束的形式从波导21重定向至观察者(未示出)的眼睛。通过选择在波导21和足够宽度的输出耦合光栅23中导致多次TIR反弹的波导几何形状，光将在多次TIR反弹后遇到输出耦合光栅23。
此外，通过调整输出耦合光栅23的衍射效率为沿光栅23的长度增加，可以从输出耦合光栅23引导具有相同亮度的多个光束。当与输出耦合光栅23单独相互作用产生的光线束产生相对较小的出瞳时，从每一个TIR输出耦合光栅23相互作用中拼接各个出瞳产生的复合出瞳要大得多。这种现象被称为瞳孔复制或瞳孔扩展。瞳孔复制有助于形成大的视窗，允许观察者眼睛的位置具有整个视场(FOV)的变化。
通常，来自光源或源显示器的输入耦合光束将(例如通过准直透镜)被准直，但是源显示器的每个像素的光束仍然具有角度分布，这导致在输出耦合光栅23处同一像素的不同角度之间的横向色散。不同的角度或不同的波长甚至可能在波导21中遇到不同数量的反射，因此衰减不同。这可以导致输出耦合光的强度变化，这取决于眼睛感知的角度。
在图3中，示出了有助于瞳孔扩展的具有显示器30和波导31的示例性显示系统，波导31具有反射光栅或全息图。在本文中，波导31被例示为例如两层波导，每一层对应于红光和蓝光的传输，由此绿光在红色波导和蓝色波导之间分离。然而，可以设想的是，波导31可以包括三层，每一层分别专用于传输红光、蓝光和绿光。还可以设想，波导31可以仅具有一层，即用于所有三种颜色的单层。
输入耦合结构32和输出耦合结构33因此可以是半透反射式镜、表面浮凸光栅或体积全息光栅。来自显示器30(例如一起形成为源显示器的发光二极管或发光二极管阵列)的光34(这里示出为常规轮廓35)，通常在某种程度上通过准直透镜准直，准直透镜传统上放置在显示器30和波导31的输入耦合结构32之间。然而，如上所述，准直光可以为每个像素保持角度分布。光34的发射图案在此被描绘为朗伯函数35，这是因为它是没有任何光学调制的发光二极管的原型发射结构。然而，在缩放尺寸(例如，<10微米)上，它更有可能与具有多个反射峰的余弦函数有很大的偏差。
存在输入耦合结构32、尤其是基于显示器30的投影布置的输入耦合结构32沿着波导31的特殊位置，反之亦然。例如，显示器可以逐RGB像素投射光，或逐RGB显示器投射光，这决定了所有波导的输入耦合结构32是在同一位置(逐RGB像素)还是在单独的位置(逐RGB显示器)。然而，可以设想的是，如果存在用于单独颜色的单独显示器，在通过准直透镜被准直之前，如果使用光学组合器(例如棱镜)组合，则它们仍然可以形成光图案从而使RGB是逐像素的。
输出耦合结构33优选地具有衍射性质、例如衍射光学元件(DOE)，使得输入耦合光34沿着波导31传播并且被多次提取以允许增大的视窗36，从而有助于瞳孔扩展。然而，根据眼睛37正在看哪个方向或视窗36，感知到的光来自每个像素的不同发射角。一种可能的解决方案是实施输出耦合结构33的逐渐变化的衍射效率，以使得每个视窗位置36耦合输出相同的光强度，或者至少耦合输出到彼此最接近的量。
在图4A和图4B中示出了具有优化衍射效率的不同视窗位置的亮度分布。术语“优化衍射效率”反映了衍射效率在横向方向和纵向方向上都被优化，以便将取决于光的角度和波长分布的反射事件的实际数量考虑在内。在图4A中，在波导31的输出耦合结构33上选择了五个测试点。具体地，选择了在输出耦合结构33的左上方的测试点P1，在输出耦合结构33的左下方的测试点P2，在输出耦合结构33的中心的测试点P3，该中心优选为横向轴线与纵向轴线的交点。此外，选择了在输出耦合结构33的右上方的测试点P4，在输出耦合结构33的右下方的测试点P5。
在图4B中，输出耦合光的亮度以表格形式示出。模拟亮度分布以获得单层波导31中绿光的输出耦合结构33的优化衍射效率。在每个测试点，测量视场左边缘、视场中心和视场右边缘的亮度(以cd/m2计)。可以看出，即使在这种优化的衍射图案中，同一图像在不同视角下所感知的光强度变化高至30％(即变化系数为～0.3)。对于单色图像，这可能仍然是可接受的，这是因为眼睛对相对亮度变化(即不同级别的灰度值)不是很敏感。然而，对于RGB光重叠的全彩色图像，强度变化是可感知的。
在图5中，示出了根据本发明第二方面的系统50的示例性实施方式。系统(或装置)50优选地可操作以实现光束成形光学器件、尤其是像素级光学器件在输入显示器(例如图3的显示器30)的每个像素上的最佳几何形状，尤其是通过执行图像将在其处投影的波导(例如图3的波导31)的光学模拟和测量来实现。系统50还可操作成执行像素级透镜、尤其是晶圆级透镜到输入显示器30的每个像素上的处理。
在该背景下，系统50包括模拟装置51，其配置为针对光波导31的亮度的位置和角度特性模拟亮度分布。此外，系统50包括测量装置52，其配置为针对光波导31的亮度的位置和角度特性测量亮度分布。亮度分布测量可以对应于图4A和图4B中所示的解决方案。
例如，可以在波导31的输出耦合结构33上定义预定数量的测试点，并且可以模拟或测量亮度分布或可进行两者。测量或模拟优选地针对显示器30相对于波导31的横向方向的相对放置而执行。该相对定位在整个过程中保持，使得一旦过程完成不需要偏移，例如由于显示器30在波导31上的定位变化而引起的额外的TIR反弹或衰减。
系统50还包括处理装置53，其配置为基于测量的亮度分布和/或模拟的亮度分布、尤其是通过比较模拟的亮度分布与测量的亮度分布，为显示器30的每种颜色的每个像素定义最佳发射图案。在本说明书的后面部分中示出并描述了示例性发射图案。例如，从图4A和图4B所示的方案来看，如果视场左边缘的点P1处的亮度为100.56cd/m2，视场中心的亮度为113.59cd/m2，视场右边缘的亮度为100.93cd/m2，在这种特定情况下，处理装置53可以通过将发射波瓣向左和/或向右偏移足以使左边缘、中心和右边缘的亮度分布均匀的量来定义显示器30的最佳发射图案。
此时，处理装置53基于最佳发射图案实现显示器30的每像素的透镜几何形状，这理想地转换任意几何形状，这是因为每个像素的偏移因亮度分布不同而不同，尤其是当实施瞳孔扩展时。系统50还包括制造装置54或过程，其中制造装置54优选地采用镶嵌过程执行像素级透镜处理，以便基于所实现的透镜几何形状处理显示器30的每像素的透镜系统。需要注意的是，需要针对显示器30的每个像素、即显示器30的每个像素实现来执行上述所有过程。
在图6A、图6B、图6C和图6D中示出了具有不同透镜布置的LED的发射图案的3D有限差分时域模拟。所述LED可以对应于显示器30，特别是显示器30的单独像素中的每一个或任一个。特别地，图6A示出了在所述像素或LED上没有实施透镜的光束形状。可以看出，存在不同的发射波瓣，这在组合用于RGB的这种发射图案时已经是有问题的，这是因为颜色混合的比率将根据眼睛通过其观看的视窗的位置而强烈改变。
图6B示出了实施球面透镜的光束形状。可以看出，球面透镜的使用提高了光输出耦合的效率，但对光束形状的影响有限。需要注意的是，即使球面透镜因为中心和旁波瓣发射之间的比率增加而对光束形状产生影响，但也不如非球面透镜那么强烈。因此，如果透镜偏离发射中心，即使使用球面透镜也可以实现某种形式的方向性。图6C和图6D示出了实施非球面透镜的光束形状。特别地，图6C示出了关于LED的中心非球面透镜可以实现的光输出耦合的方向性，图6D示出了使用从LED中心偏移200nm的非球面透镜可以实现的光输出耦合的方向性。可以看出，像这样的透镜的非球面形状强烈地调制了光束形状。
在图6A、图6B、图6C和图6D中示出的发射图案是示例性的。如上所述，最佳发射图案转换为对于给定像素最佳的发射图案，其中由于不同的衰减和偏移，不同像素的发射图案明显不同。需要注意的是，只有-200至+200的光是相关的并且被耦合到波导31中。然而，所述范围还取决于视场、波导31的细节、和光栅设计，并且可在100至300变化。
在图7中，示出了示例性的光线追踪过程以定义可以被转换为期望的光束形状(优选地每像素)的目标函数。优选地，在尤其是基于从模拟装置51获得的光学模拟和/或从测量装置52获得的光学测量定义最佳发射图案(例如根据图6C或图6D的发射图案)之后，处理装置53基于最佳发射图案、优选地在光线追踪中实现透镜几何形状。为了这样做，处理装置53可以在光线追踪中定义显示器30的像素几何形状、即LED几何形状和光束将被投射在其上的波导31的位置。之后，处理装置53运行优化来以任意函数改变透镜偏移和形状，并且进一步能够检查哪些函数导致最接近具有最佳光输出耦合效率的目标光束形状的光束形状。
除此之外，处理装置53还可在有限差分时域模拟中验证所获得的透镜形状。换句话说，每个发光元件、即LED对应于显示器30的每像素，从光线追踪获得的最佳透镜形状在有限差分时域模拟中被验证。基于可用的时间和掌握的资源，可以每像素或按像素簇进行模拟。这是有利的，因为光线追踪不考虑干涉图案，这可以在有限差分时域模拟中考虑。
在随后的步骤中，处理装置53通过计算在光刻和蚀刻能力的间距处所需的相移，将从每像素的光线追踪获得的模拟透镜形状转换成数字图案(例如，超透镜、HOE(全息光学元件)、菲涅尔透镜)。例如，在图8A和图8B中，分别示出了尺寸为3微米的示例性三层菲涅尔透镜和球面透镜。尤其是菲涅尔透镜的每一层都对应着900、1200和1800的相移。透镜的间距为100微米，并且用TiOx实现。颜色图代表该位置处以纳米为单位的透镜图案的高度。
在图9中，示出了尤其是由系统50的制造装置54执行的实施多层数字透镜(例如，菲涅尔透镜)的示例性过程序列。该过程序列对应于单个镶嵌过程，其本质上是一个添加过程。显示器30的部分90被例示为两个发光元件，即用于微型LED显示器的两个LED。每个LED91对应于显示器30的一像素。为了形成透镜92的第一层，将低折射率材料(例如，SiO2、FSG)沉积到LED 91的表面上、尤其是沉积到表面接触物ITO上。
然后基于相应层的透镜几何形状、尤其是基于单个LED 91的最佳透镜几何形状，使用掩模图案干蚀刻沉积的低折射率材料层。然后通过化学气相沉积或原子层沉积，使用高折射率材料重新填充蚀刻后的低折射率材料，其中高折射率材料的折射率值优选接近LED 91的材料。之后，应用化学机械平面化过程以使表面平滑。
类似地，为了形成透镜93的第二层，在透镜92的第一层的平滑表面上进一步沉积低折射率材料(例如，SiO2、FSG)，然后使用另一掩模图案干蚀刻沉积的低折射率材料层。基于相应层的透镜几何形状、尤其是基于单个LED 91的最佳透镜几何形状，用于第二层的掩蔽图案变化。然后通过化学气相沉积或原子层沉积，再次使用高折射率材料重新填充蚀刻后的低折射率材料。之后，应用化学机械平面化过程以使表面平滑。对于每个后续层、例如对于图8A的三层菲涅尔透镜，基于相应层的透镜几何形状，使用不同的掩模重复该过程序列。
可选的导电结构94可以加工在LED 91表面的顶部上，尤其是以减小的顶角进一步调制光束形状，因为这些导电结构94吸收由LED 91发射的光的一部分。在这种情况下，这些结构也可以通过镶嵌过程处理。由于单独的ITO的导电性不够好，因此导电结构94与ITO一起实质上提高了整体导电性。导电结构可以是单层结构或双层结构(当以双镶嵌过程制造时)，其中，这些层中的至少一者配置为吸收光，例如通过设有抗反射涂层来吸收光。
在这方面，导电结构94还可包括吸光层、即抗反射层，其配置为吸收由LED 91发射并撞击在导电结构94的表面上的光、即吸收光。这种抗反射层的示例是厚度为例如65nm的碳层、或用于捕获光的高折射率材料层。另一替选是氮化钽(TaN)层，其厚度为例如20nm。这有效地形成了分布式布拉格反射器(DBR)，其增加了向前方向上的光输出耦合并减少了向后方向上的反射，从而最小化例如光反射到CMOS中和光学串扰的不利现象。
替选地，上述过程序列可以通过两步干蚀刻过程来实施。例如，图10A示出了两层菲涅尔透镜的倾斜顶视图，图10B示出了图10A的两层菲涅尔透镜的侧视图。两层菲涅尔透镜是在各个5.5×5.5微米的像素的顶部在高折射率的SiN中使用两步干蚀刻过程制造的，其中使用厚的抗蚀剂作为干蚀刻掩模。低折射率材料在此是空气。
在图11中，示出了根据本发明的第三方面的显示器110的示例性实施方式。显示器110包括发光元件的阵列，每个发光元件对应于显示器110的像素布置111。优选地，显示器是具有微型LED的阵列的微型LED显示器，每个微型LED对应于微型LED显示器的一像素。
在该背景下，像素布置111包括用于每个像素的发光二极管112和每像素的透镜系统113。透镜系统113包括光学耦合在LED表面顶部上的任意形状的数字光学器件或数字透镜。透镜系统113至少包括第一层114和第二层115，优选地包括更多层。透镜系统113的几何形状、尤其是数字透镜每一层的几何形状由系统50实现，尤其是通过实施本发明的第二方面描述的过程来实现。
便利地，显示器110包括在阵列的每个像素上制造的微透镜，其单独地成形以尤其是对于每种颜色补偿波导(例如波导31)中的角度和位置相关衰减，包括从显示器110和眼睛之间的任何其他光学元件产生的角度和位置相关衰减。透镜系统113是按照任意形状的数字光学元件(超透镜、衍射光学元件、全息光学元件、菲涅尔透镜等)实现的而不需要对称，并且是针对每个像素实现的，以使来自LED 112的发射图案成形。
此外，数字透镜的特征尺寸小于LED 112发射的最小波长的四分之一，例如，小于1/4λ的特征尺寸导致蓝色LED小于100纳米。这是特别有利的，因为数字透镜结构的特征尺寸越小，就可以制造更多层，这导致光的更有效传输，尤其是数字透镜中的典型散射损失可以随着每个附加层而显著最小化。
本发明涉及AR、VR和MR应用领域，尤其是AR、VR和MR头戴式受话器，其中光学器件基于具有瞳孔扩展和作为光源的微型LED显示器的波导技术。本发明的解决方案是通过用晶圆级光学器件修改显示器的每个单独像素的光束形状、尤其是通过在每个单独LED像素顶部上在高折射率材料中形成任意形状的数字透镜来调整波导中的光图案的角度分布来实现均匀的光输出耦合。
本发明的实施方式可以通过硬件、软件或其任意组合来实现。本发明的各种实施方式可由一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器等来实现。
虽然本发明已经针对一个或多个实施方式进行了说明和描述，但本领域的其他技术人员在阅读和理解本说明书和附图后将想到等效的改变和修改。例如，可以对显示器的每像素(1×1个像素)或同一位置的显示器的像素簇(例如，3×3个像素、5×5个像素等)执行透镜模拟和后续实现。此外，虽然本发明的具体特征可能仅关于几个实施方式中的一者被公开，但这种特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合，因为对于任何给定应用或具体应用可能是期望的和有利的。

Claims (15)

1.一种用于优化包括发光元件的阵列的显示器(30)的光束成形的方法，以便调整光波导(31)中的光图案的角度分布，每个发光元件对应于所述显示器的一像素，其中，所述方法包括以下步骤：
针对所述光波导(31)的亮度的位置和角度特性模拟(S1)亮度分布，
针对所述光波导(31)的亮度的位置和角度特性测量(S2)亮度分布，
比较(S3)所述光波导(31)的模拟的亮度分布和测量的亮度分布，以及
基于所述测量的亮度分布为所述显示器(30)的每种颜色的每个像素定义(S4)最佳发射图案。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
根据所述最佳发射图案实现(S5)所述显示器(30)的每像素的透镜几何形状，以及
在数字处理中，基于所实现的透镜几何形状，处理(S6)所述显示器(30)的每像素的透镜系统。
3.根据权利要求1所述的方法，
其中，测量所述亮度分布包括关于所述光波导(31)上的多个预定测试点测量所述亮度分布的步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，
其中，定义所述最佳发射图案包括关于所述显示器(30)和所述光波导(31)的相对位置定义所述显示器(30)的每像素、每颜色的最佳发射图案的步骤。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，实现所述透镜几何形状包括以下步骤：
在光线追踪中，定义所述显示器(30)和所述光波导(31)的相应定位，
优化所述透镜系统的偏移和形状，从而获得任意函数的所述透镜几何形状，直到实现所述最佳发射图案，以及
将所述透镜几何形状转换为数字图案，从而实现任意形状的数字光学器件。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，处理所述透镜系统包括以下步骤：
在所述发光元件、尤其是发光二极管的表面上沉积低折射率材料，
基于所实现的透镜几何形状，使用掩模图案进行干蚀刻，以及
使用高折射率材料重新填充，其中，高折射率优选接近所述发光二极管的材料的折射率。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
在有限差分时域模拟中验证每像素的所述透镜几何形状，和/或
在有限差分时域模拟中验证像素簇的所述透镜几何形状。
8.一种用于优化包括发光元件的阵列的显示器(30)的光束成形的系统(50)，以便调整光波导(31)中的光图案的角度分布，每个发光元件对应于所述显示器的一像素，所述系统(50)包括：
模拟装置(51)，所述模拟装置配置为针对所述光波导(31)的亮度的位置和角度特性模拟亮度分布，
测量装置(52)，所述测量装置配置为针对所述光波导(31)的亮度的位置和角度特性测量亮度分布，
处理装置(53)，所述处理装置配置为比较所述光波导(31)的模拟的亮度分布和测量的亮度分布，
其中，所述处理装置(53)还配置为基于所述模拟的亮度分布和所述测量的亮度分布为所述显示器(30)的每种颜色的每个像素定义最佳发射图案。
9.根据权利要求8所述的系统(50)，
其中，所述处理装置(53)还配置为根据所述最佳发射图案实现所述显示器(30)的每像素的透镜几何形状。
10.根据权利要求9所述的系统(50)，
其中，所述系统(50)还包括制造装置(54)，所述制造装置配置为在数字处理中，基于所实现的透镜几何形状，处理所述显示器(30)的每像素的透镜系统。
11.根据权利要求9所述的系统(50)，其中，所述处理装置(53)还配置为：
在光线追踪中，定义所述显示器(30)和所述光波导(31)的相应定位，以及
优化所述透镜系统的偏移和形状，从而获得任意函数的透镜几何形状，直到实现所述最佳发射图案，以及
将所述透镜几何形状转换为数字图案，从而实现任意形状的数字光学器件。
12.根据权利要求10所述的系统(50)，其中，所述制造装置(54)还配置为通过以下处理所述透镜系统：
在所述发光元件、尤其是发光二极管的表面上沉积低折射率材料，
基于所实现的透镜几何形状，使用掩模图案进行干蚀刻，以及
使用高折射率材料重新填充，其中，高折射率优选接近所述发光二极管的材料的折射率。
13.一种包括发光元件的阵列的显示器(110)，每个发光元件对应于所述显示器(110)的像素布置(111)，其中，所述像素布置(111)包括：
用于每个像素的发光元件(112)，以及
透镜系统(113)，所述透镜系统包括光学耦合在每个发光元件(112)顶部上的任意形状的数字光学器件，其中，所述任意形状的数字光学器件至少包括第一层(114)和第二层(115)，
其中，使用根据权利要求1至7中任一项所述的方法优化所述透镜系统(113)的几何形状。
14.根据权利要求13所述的显示器，
其中，所述任意形状的数字光学器件由优选接近所述发光元件(112)的材料的折射率的高折射率材料构成。
15.根据权利要求13或14所述的显示器，
其中，所述任意形状的数字光学器件的特征尺寸小于所述发光元件(112)发射的最小波长的1/4。
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