CN115039223A - 接合光学设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种接合光学设备。所述接合光学设备能够包括第一光学元件、第二光学元件和光学路径。所述第一光学元件具有被配置为发射第一颜色的光的第一光学发射器阵列。所述第一光学元件被接合至至少一个处理器元件，所述至少一个处理器元件包括被配置为控制所述第一光学元件的操作的有源电路系统。所述第二光学元件具有被配置为发射与所述第一颜色不同的第二颜色的光的第二光学发射器阵列。所述第二光学元件被接合至所述至少一个处理器元件。所述光学路径与所述第一光学元件和所述第二光学元件光学耦合。所述光学路径被配置为将来自所述第一光学发射器和所述第二光学发射器的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。

Description

接合光学设备
通过引用任何优先权申请而并入
本申请要求于2020年12月16日提交的美国非临时专利申请号17/124,408和于2019年12月17日提交的美国临时专利申请号62/949,312的优先权，其全部内容通过引用全部并入本文并且用于所有目的。
技术领域
本领域涉及接合光学设备，具体地涉及用于可穿戴电子设备的接合光学设备。
背景技术
在一些类型的显示设备中，期望非常小的和极高分辨率的设备是。示例包括直接查看的显示屏(诸如智能手表和手机显示器)以及从小屏幕投影图像的应用(诸如平视显示器(HUD)和智能眼镜)。例如，在可穿戴智能眼镜(诸如增强现实(AR)眼镜或包括电子电路系统和显示器的其他眼镜)中，图像可能位于与用户的眼睛相距小于1至2cm(例如1至1.2cm)的位置。在这种设备中，可能期望使用尽可能小的(例如小于5至6μm)的显示像素的间距，例如以便提供期望的图像质量。一些技术(诸如硅上液晶(LCoS))可能能够提供具有低间距的像素，但效率低下，因为损失了微不足道的光能(例如光)，可能具有低制造产率、较低分辨率，并且可能很昂贵。
诸如微型发光二极管(微型LED)等其他技术能够为AR/MR(混合现实)应用提供非常明亮的图像，因为它们可以提供足够量的光能(例如亮度)，以提供例如在光线充足的环境中可见的清晰图像。发光二极管(LED)晶片一次可以处理一种波长的光(红色“R”、绿色“G”或蓝色“B”)，并且制造多色显示器仍然对在上述应用中提供期望水平的图像质量构成挑战。
因此，仍然需要改进的光学设备，例如从单色LED显示器创建彩色图像，并且集成这些单色微型LED显示器以用于应用(诸如AR智能眼镜、投影系统、汽车HUD、智能手表显示器、手机显示器等)。
附图说明
具体实施方式现在将参照以下附图来描述，这些附图通过示例而非限制来提供。
图1是示出了显示设备与用户眼睛之间的相对距离的图示的图。
图2是根据实施例的直接接合光学设备的示意性侧视图。
图3是根据另一实施例的直接接合光学设备的示意性侧视图。
图4是根据实施例的光学组件的示意性侧视图。
图5是根据另一实施例的光学组件的示意性侧视图。
图6是示出了根据实施例的光学设备内的像素之间的物理分离的图示的图。
图7A是示出了根据实施例的光学设备的各个像素之间的物理分离的图示的图。
图7B是示出了根据实施例的仅在光学设备内的AxA像素矩阵中的物理分离的图示的图。
图8是示出了根据实施例的可以并入本文描述的光学组件的光学系统的图。
图9是示出了根据实施例的被直接接合至具有输入和输出耦合的波导的光学设备的图。
图10是示出了根据另一实施例的被配置为将光引导到具有输入耦合和输出耦合的波导的光学设备的图。
图11是示出了三个颜色像素的叠加的图示的图。
具体实施方式
图1是示出了各种显示设备104、106、108与用户眼睛102之间的相对显示距离的图示100的图。眼睛最敏感的部分，中央凹(fovea)，包含最多的视锥细胞(这有助于我们标识颜色)，并且具有约1弧分，即，60像素每度(PPD)的分辨率。PPD基于显示设备与用户眼睛102的距离来标识显示器中所需的像素间距。针对距用户眼睛102的工作距离约为1cm的AR智能眼睛显示器104，约5μm的像素间距会产生被感知为“清晰图像”的内容。针对距用户眼睛102的工作距离约为20cm的手机显示器106，约50μm的像素间距产生清晰的图像。针对距用户眼睛102的工作距离约为50cm的计算机显示器108，约300μm的像素间距产生清晰的图像。数字光处理(DLP)和基于硅上液晶(LCoS)的技术由于多种原因是不充足的，包括例如低亮度、像素大小、间距、显示器大小等。因此，微型LED设备在一些应用中可能是有益的，诸如AR显示应用。
本文公开的各种实施例涉及接合光学设备200、300a至300c(例如如图2和3所示)。如本文解释的，一些类型的光学元件202a至202c、302a至302c(例如如图2和3所示)(特别是发光元件(例如发光二极管或LED))可以被制造在具有设备的晶片中，该设备被配置为发射单种颜色(例如红色、绿色或蓝色)的光，这可能使得由这些单独的晶片制造由数十万或数百万个LED组成的多色显示器具有挑战性。在各种实施例中，光学元件202a至202c、302a至302c可以由半导体材料形成。例如，光学晶片(诸如LED晶片)可以由(多种)III-V族化合物半导体材料(诸如InP、GaN、AlGaAs、InGaN、AlGalnP等)形成。在各种实施例中，直接接合程序可以使得这种化合物半导体材料能够被接合到不同类型的半导体处理器元件(例如Si或CMOS处理器管芯)，从而创建异构系统。此外，提供具有像素602a至602c(例如如图6所示)(或显示区域)的光学元件202a至202c、302a至302c(例如如图2和3所示)可能具有挑战性，这些像素具有足够小的间距(例如像素之间的空间)以显示高质量和高亮度的图像，以便被直接查看或投影在显示器(诸如小型显示器或被配置为靠近用户放置的显示器)上。在各种实施例中，阵列中的光学发射器的间距可以小于50微米，例如小于10微米。
在一些微型LED显示器中，每个像素704(例如如图7A所示)可以利用单独的LED芯片(例如光学元件)作为像素704(例如如图7A所示)或子像素。例如，微型LED芯片(例如包括(多个)发射器阵列的光学元件)可以被单独制造并且使用拾取和放置技术定位。转移和放置技术以及颜色转换方案也可以被使用，但这些技术可能不经济或可能非常有损。因此，仍然需要改进的光学设备。
本文公开的实施例可以通过将(例如直接接合或混合接合)光学元件202a至202c、302a至302c(例如如图2和3所示)(尤其是发光元件(诸如包括多个LED的LED设备)接合至至少一个载体204、304a至304c(例如如图2和3所示)(诸如处理器，例如可以包括被配置为控制光学元件202a至202c、302a至302c(例如如图2和3所示)的操作的有源电路系统(例如一个或多个晶体管)的图像处理器元件)来实现具有精细像素间距的显示器。在各种实施例中，发射器阵列中的光学发射器可以是独立可控的。有益地，在一些实施例中，直接接合或混合接合可以被用于将光学元件202a至202c、302a至302c(例如如图2和3所示)物理和电连接至载体204、304a至304c(例如如图2和3所示)(例如处理器元件)而无需粘合剂。使用直接接合可以实现小于5微米或小于1微米的像素间距。至少一个载体204、304a至304c具有小于7ppm的热膨胀系数(CTE)。
图2是接合光学设备200的示意性侧视图，其中多个光学元件202a至202c被接合(例如直接接合)至根据实施例的公共载体204。在一些实施例中，公共载体204可以包括集成设备管芯，诸如具有控制光学元件202a至202c的操作的电路系统的处理器管芯。图3是多个接合光学设备300a至300c的示意性侧视图，其中多个光学元件302a至302c被接合(例如直接接合)至对应的多个载体304a至304c。光学元件可以以晶片形式制造，并且被分割以限定图2至3所示的光学元件202a至202c、302a至302c。如图2所示，光学元件202a至202c(可以包括发射器管芯，诸如LED)可以被直接接合至公共载体204而无需中间粘合剂，例如在管芯到晶片(D2W)过程中。在一些实施例中(参见例如图11)，光学元件202a至202c、302a至302c和载体204、304a至304c可以被集成到更大的光学系统中。例如，接合光学设备200(包括例如光学元件202a至202c和被直接接合至其上的公共载体204)可以被安装至波导或其他结构。
在其他实施例中，载体304a至304c可以被分割，以形成多个接合的光学设备300a至300c，如图3所示。在其他实施例中，分割后的光学元件302a至302c可以在管芯到管芯(D2D)过程中被接合至分割后的载体304a至304c，以获得图3所示的接合光学设备300a至300c。在其他实施例中，晶片形式的光学元件(未示出)可以在晶片到晶片(W2W)过程(未示出)中被接合(例如直接接合)至晶片形式的载体(未示出)(例如处理器晶片)。然后接合晶片可以被分割，以形成多个接合光学设备300a至300c。
(多个)光学元件202a至202c、302a至302c可以被直接接合(例如使用电介质到电介质接合技术，诸如由加利福尼亚州圣何赛的Xperi公司使用的
Figure BDA0003772295520000051
DBI或DBIUltra技术)至至少一个载体204、304a至304c(诸如处理器元件)，而无需粘合剂。例如，电介质到电介质接合可以使用至少在美国专利号9,391,143和10,434,749中公开的直接接合技术在没有粘合剂的情况下形成，每个专利的全部内容通过引用全部并入本文并且用于所有目的。
在各种实施例中，直接接合可以在没有中间粘合剂的情况下形成。例如，电介质接合表面206、306a至306c可以被抛光至高度平滑度。接合表面206、306a至306c可以被清洁，并且暴露于等离子体和/或蚀刻剂以激活表面。在一些实施例中，表面可以在激活之后或在激活期间(例如在等离子体和/或蚀刻过程期间)用物质终止。在各种实施例中，终止物质可以包括氮。进一步地，在一些实施例中，接合表面可以被暴露于氟。例如，在层和/或接合界面附近可能存在一个或多个氟峰。不受理论的限制，在一些实施例中，激活过程可以被执行以破坏接合表面处的化学接合，并且终止过程可以在接合表面处提供附加的化学物质，从而提高直接接合期间的接合能。因此，在直接接合结构中，两种介电材料之间的接合界面可以包括在接合界面处具有较高氮含量和/或氟峰的非常平滑的界面。
在各种实施例中，光学元件202a至202c、302a至302c或LED元件的导电接触焊盘208a至208c、308a至308c可以被直接接合至载体204、304a至304c(例如处理器元件)的对应导电接触焊盘210a至210c、310a至310c。在各种实施例中，LED芯片内的一个LED像素可以具有两个接触焊盘或电极(正电极和负电极)。在各种实施例中，载体204、304a至304c(例如处理器元件)可以在光学对应元件302a至302c上创建相同的图像。如本文解释的，每个光学元件302a至302c可以包括单色发光元件，并且可以创建相同的图像，使得当图像被叠加时，多色图像可以被查看。例如，混合接合技术可以被用于沿着接合界面206、306a至306c提供导体到导体直接接合，该接合界面包括共价直接接合的电介质到电介质表面。在各种实施例中，导体到导体(例如接触焊盘到接触焊盘)直接接合和电介质到电介质接合可以使用至少在美国专利号9,716,033和9,852,988中公开的直接接合技术形成，每个专利的全部内容通过引用全部并入本文并且用于所有目的。
例如，介电接合表面206、306a至306c可以被制备，并且被直接彼此接合而无需中间粘合剂。导电接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c(可以被非导电介电场区域包围)也可以被直接彼此接合而无需中间粘合剂。在一些实施例中，相应接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c可以被凹陷到介电场区域下方，例如凹陷小于20nm、小于15nm或小于10nm，例如在2nm至20nm范围内或者在4nm至10nm范围内凹陷。在一些实施例中，介电场区域可以在室温下在没有粘合剂的情况下被直接彼此接合，随后接合结构可以被退火。在退火时，接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c可以膨胀并且彼此接触，以形成金属到金属直接接合。有益的是，使用直接接合互连或
Figure BDA0003772295520000071
和/或ZiBond技术可以实现上面解释的精细像素间距。在一些实施例中，接合焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c的间距可以小于300微米，小于40微米或小于10微米，或甚至小于2微米。针对一些应用，接合焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c的间距与接合焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c的尺寸中的一个尺寸的比率小于5，或小于3并且有时期望小于2。在各种实施例中，接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c可以包括铜，尽管其他金属可能是合适的。
本文公开的实施例还可以与美国专利申请号15/919,570(于2020年4月21日作为美国专利号10,629,577发布)；16/219,693；以及16/176,191中公开的设备和方法组合使用，每个专利的全部内容通过引用全部并入本文并且用于所有目的。例如，美国专利申请号15/919,570教导了将CMOS逻辑晶片或管芯直接混合接合至LED晶片或管芯以直接控制发射器的方法(有源矩阵驱动)。美国申请号16/176,191教导了光学透明衬底的直接接合。
本文公开的实施例还可以与美国专利号10,629,577中公开的设备和方法(描述光学元件可以如何被接合至处理器管芯)组合使用，该专利的全部内容通过引用全部并入本文并且用于所有目的。美国专利号10,629,577教导了光学元件的直接接合阵列，诸如例如直接接合LED阵列。
因此，在直接接合过程中，第一元件(例如光学元件202a至202c、302a至302c)可以被直接接合至第二元件(例如载体204、304a至304c，诸如处理器管芯)而无需中间粘合剂。在一些布置中，第一元件可以包括单个元件，诸如单个光学设备管芯。在其他布置中，第一元件可以包括载体或衬底(例如晶片)，它包括多个(例如数十、数百或多个)设备区域，当被分割时，这些设备区域形成多个集成设备管芯。类似地，第二元件可以包括单个元件，诸如单个集成设备管芯(例如处理器管芯)。在其他布置中，第二元件可以包括衬底(例如晶片)。
如本文解释的，第一元件和第二元件(例如光学元件202a至202c、302a至302c和载体204、304a至304c或处理器管芯)可以在没有粘合剂的情况下被直接彼此接合，这不同于沉积过程。第一元件和第二元件因此可以包括非沉积元件。进一步地，与沉积层不同，直接接合结构可以包括沿着接合界面206、306a至306c的缺陷区域(未示出)，其中存在纳米空隙。由于接合表面的激活(例如暴露于等离子体)，纳米空隙可以被形成。如上面解释的，接合界面206、306a至306c可以包括来自激活和/或最后化学处置过程的材料的浓度。例如，在利用氮等离子体进行激活的实施例中，氮峰可以被形成在接合界面206、306a至306c处。在利用氧等离子体进行激活的实施例中，氧峰可以被形成在接合界面206、306a至306c处。在一些实施例中，接合界面206、306a至306c可以包括氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧碳氮化硅或碳氮化硅。如本文解释的，直接接合可以包括比范德华接合更强的共价接合。接合层还可以包括被平坦化至高度平滑度的抛光表面。
在各种实施例中，接触焊盘208a至208c、210a至210c或308a至308c、310a至310c之间的金属到金属接合可以被连接，使得铜晶粒跨接合界面206、306a至306c彼此生长。在一些实施例中，铜可以具有沿着晶面定向的晶粒，以改进跨接合界面206、306a至306c的铜扩散。接合界面206、306a至306c可以基本上完全延伸到接合的接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c的至少一部分，使得在接合的接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c处或附近的非导电接合区域之间基本上没有间隙。在一些实施例中，阻挡层(未示出)可以被提供在接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c(例如可以包括铜)下方。然而，在其他实施例中，在接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c下方可能没有阻挡层，例如如美国专利申请公开号US2019/0096741中描述的，它通过引用全部并入本文并且用于所有目的。
尽管所图示的实施例示出了直接接合的光学元件，但在其他实施例中，光学设备可以用粘合剂(例如透明粘合剂)被附接至(多个)载体。
如本文图示和描述的，在一些实施例中，接合光学设备200、300a至300c可以包括光学元件202a至202c、302a至302c，它包括多个图像区域或显示区域(例如图6中所示的像素602a至602c)。每个图像区域可以包括单色图像区域，该单色图像区域包括被配置为发射单种颜色的光的光学发射器614。光学发射器614可以包括发光二极管，该发光二极管可以从其中形成LED的光学元件中的区域或表面发射光。光学元件202a至202c、302a至302c可以包括LED晶片，该LED晶片包括III-V族材料，例如GaAs、GaN、GaP、InGaN、AlGalnP、AlGaAs等。例如，在各种实施例中，光学元件202a至202c、302a至302c可以包括单色LED芯片。LED芯片可以分别被配置为发射单种颜色的光。LED芯片可以被配置为彼此发射不同的颜色。例如，第一LED芯片(诸如光学元件202a)可以被配置为发射红光，第二LED芯片(诸如光学元件202b)可以被配置为发射绿光，并且第三LED芯片(诸如光学元件202c)可以被配置为发射蓝光。应当理解LED芯片可以发射任何合适的颜色。
光学元件202a至202c、302a至302c可以被接合(例如直接接合而无需中间粘合剂)至具有有源电路系统的至少一个载体204、304a至304c(例如至少一个处理器元件)，该有源电路系统用于控制光学元件202a至202c、302a至302c的像素的操作。至少一个载体204、304a至304c可以包括各种布置的半导体元件，诸如硅。例如，在一些实施例中，载体204、304a至304c可以用作硅基背板。载体204、304a至304c可以包括具有驱动器电路系统的处理器管芯，该驱动器电路系统通过接触焊盘208a至208c、210a至210c、308a至308c、310a至310c被电连接至光学发射器。驱动器电路系统可以控制来自光学元件202a至202c、302a至302c的多个光学发射器的光的发射。
如本文解释的，多个图像区域(诸如图6中所示的像素602a至602c)可以相对于彼此并且相对于公共光学路径(诸如图8所示的光学波导804)布置，使得来自每个图像区域的单色光被耦合到光学路径中。在一些实施例中，多个这种接合光学设备200、300a至300c可以与公共光学路径耦合。多个接合光学设备200、300a至300c可以被配置为发射不同颜色的光(例如红色接合光学设备、绿色接合光学设备、蓝色接合光学设备)。来自多个接合光学设备的叠加光束可以沿着光学路径被传送到要由用户查看的光学输出。多个单色图像可以被叠加到波导中的多色图像中，该多色图像代表多个接合光学设备中的每个接合光学设备的像素的组合贡献。
在各种实施例中，来自多个单色图像区域的光的叠加可以在一个图像区域被损坏或未使用的情况下提供冗余。在这种情况下，来自其他像素的光可以补偿受损图像区域中的光颜色。
有益的是，本文公开的实施例可以利用包括多个LED的阵列或像素的接合光学元件202a至202c、302a至302c，而无需在衬底上单独分割和重新填充分割的LED。LED芯片阵列可以被直接接合至被配置为控制LED操作的处理元件阵列。相比之下，在其他方法中，每个LED像素可以被分割并且以更高的间距堆叠在衬底上，这可能会使组装过程复杂化。使用包括LED阵列的直接接合的光学元件可以相应地提高显示设备的可制造性。在一个示例中，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)LED晶片阵列分别被单独地直接或混合接合至硅(Si)背板或成像器晶片。然后这些叠层可以被分割以形成红色、绿色和蓝色单色成像器，这些成像器可以被组合以形成多色图像。在另一示例中，红色、绿色和蓝色LED晶片可以被单独分割以形成R、G、B LED芯片，并且可以被直接接合至一个硅背板或成像器。硅背板中的元件可以被电连接至R、G、B芯片内的LED像素，以实现像素级控制。尽管LED晶片可以被直接或混合接合至硅背板，但任何其他合适的背板(例如薄膜晶体管或TFT)背板也可以被使用。在一些实施例中，如本文解释的，光学组件可以包括至少一个红色LED芯片、至少一个绿色LED芯片和至少一个蓝色LED芯片。在一些实施例中，光学系统可以包括多个这种光学组件或多个这种光学组件的阵列，以将图像数据引导到用户。
在一些实施例中，单色图像区域可以被定向为彼此平行。例如，在一些实施例中，图像区域可以被横向并排地定位在波导上。来自图像区域的光可以被耦合到波导中，并且波导可以将多种颜色的叠加图像传输给用户。在其他实施例中，图像区域可以被定位为彼此不平行(例如彼此垂直)，并且组合光学器件可以被提供以将多种颜色的叠加图像传输给用户。
图4是根据一个实施例的组合光学设备(例如单色发射器芯片)的光学组件的示意性侧视图。光学组件400包括由多个光学元件402a至402c(诸如例如单色LED芯片)直接接合至对应的多个载体元件404a至404c(诸如例如硅基背板)的多个光学设备400a至400c。光学组件400可以包括重定向元件或反射镜装置406a至406b(例如反射镜、分束器或其他合适的光学重定向设备)和光学组合器装置408(例如透镜)。
在一个实施例中，具有对应载体元件404a至404c(例如硅背板)的光学设备400a至400c(包括光学元件402a至402c(例如单色LED芯片，例如分别用于R、G、B)可以被组合，以形成彩色图像或彩色图像的一部分。即，单独的单色LED芯片可以被组合，而不是例如RGB微型LED显示器，如图4所示。使用三(3)个显示器，诸如数百万像素的群接合(gang bonding)等问题不是问题。多个光学组件400可以被并入到各种光学系统中的阵列中。
在一种实施方式中，接合光学设备400a至400c可以以相对于彼此的角度定向。例如，光学元件402a至402c可以大致彼此垂直。在另一实施方式中，光学元件402a至402c可以形成相对于彼此大于或小于90°的规定角度。光学设备400a至400c可以分别被安装在框架或其他结构(未示出)上，并且相对于一个或多个反射镜装置406a至406b(例如可以是用于重定向光的分束器)对准。如图4所示，反射镜装置406a至406b可以将来自光学元件402a至402c的光沿着公共通道重定向，从而叠加来自每个光学元件402a至402c的彩色光。来自每个光学元件402a至402c的光可以基于例如经由载体元件404a至404c的电路系统的控制而变化，从而生成各种颜色的叠加光。来自每个光学元件402a至402c的光的图像数据可以穿过光学组合器装置408(例如透镜)，以收集光并且将它传送给用户。
在一种实施方式中，混合直接接合(诸如
Figure BDA0003772295520000121
)可以被实施，以接合载体元件404a至404c(例如CMOS电路)，以基于显示器大小控制与光学元件402a至402c(诸如大R、G和B芯片)的间距约为5μm的每个像素/二极管。
在另一实施方式中，由光学元件402a至402c产生的由载体元件404a至404c驱动的颜色可以被用于通过光学组合器装置408将图像或图像的一部分递送给用户的眼睛(诸如经由弯曲的组合器或波导)。
在其他实施方式中，D2D、W2W或D2W接合可以基于应用来使用。
图5是根据另一实施例的包括组合光学设备的光学组件的示意性侧视图。光学组件500包括单独的光学元件502a至502c(例如光学晶片等)和载体元件504a至504c以及反射镜装置506a至506c和光学组合器装置508。
如所示，单独的光学元件(诸如例如R、G、B晶片)502a至502c可以被堆叠在载体元件504a至504c上，并且被分割以形成三(3)个大的光学设备，诸如例如大小为5mmx8mm的单色显示芯片。
在一个实施例中，光学元件502a至502c可以被并排放置。在一些实施例中，光学元件502a至502c可以被安装在公共载体(未示出)上。在其他实施例中，光学元件502a至502c可以被安装在单独的载体元件504a至504c上，以形成光学设备500a至500c。
在一种实施方式中，光学设备500a至500c可以被布置(例如安装在框架或结构上)以横向偏移预定量。在这种布置中，光学元件502a至502c沿着平行于至少一个载体元件504a至504c的主要表面的方向彼此横向偏移预定距离。此处，发射面也可以相互平行。在另一实施方式中，发射表面可以不彼此平行，而是可以相对于彼此成角度。
如所示，来自每个光学元件502a至502c的光可以由对应的反射镜装置506a至506c重定向，以叠加图像数据，该图像数据可以经由光学组合器装置508(例如组合器光学器件，诸如透镜)来收集以产生各种颜色。来自每个光学元件502a至502c的光可以基于经由载体元件504a至504c的控制而变化，从而基于来自每个光学元件502a至502c的每种颜色的多少被发射然后组合而产生不同的颜色。
图6是示出了光学设备内的像素之间的物理分离的图示的图。它包括多个像素602a至602c、多个光导604、多个物理分离606、载体元件608、光学元件610、载体元件608与光学元件610之间的接合界面612、多个发射器614(发光区域)以及载体元件608和光学元件610的多个接触焊盘616。光可以从发射器614的发光表面发射，并且可以传播通过像素区域，如所示。
在各种实施例中，每个像素602a至602c(例如单色图像区域)可以包括一个或多个光学物理隔离或像素隔离结构，它被配置为限制光学元件610的邻近区域之间的串扰。例如，隔离结构可以包括通过光学元件610的至少一部分形成的沟槽。隔离结构可以类似于在背照式图像传感器中实施的深沟槽隔离结构。
如所示，在一个实施例中，在诸如芯片等光学元件610内的像素602a至602c之间的物理分离606可以包括用于集成微型LED阵列的深沟槽隔离特征。这种深沟槽隔离特征可以防止由一个像素接收到的光进入另一像素，微型LED也可以被制造，使得由一个二极管/像素生成的光604不会在内部被散射到邻近的像素/二极管，例如基于物理分离606。基于这种单独可控的像素602a至602c，来自例如一个像素602c的经由发射器614发射的光(可以被配置为发射单种规定颜色的光，并且构成或限定像素602a至602c的至少一部分)通过物理分隔606与相邻像素602b物理隔离。
图7A和7B是示出了具有不同物理分离的不同实施例的图。图7A是示出了每个像素704之间的物理分离702的图示的图，并且图7B是示出了仅在像素710的AxA矩阵(例如2x2、3x3等)708中的物理分离706的图示的图。图7B的实施例可以产生高产率，因为一(1)个故障像素可能不是例如所发射的光的问题，因为物理分离在AxA矩阵708之间而不是单个像素710之间。这种实施例还可以改进对例如所发射光的亮度的控制。(多个)处理器元件(例如CMOS或Si背板)可以控制来自矩阵708的所选数量的像素，以打开或关闭以控制亮度，使得矩阵708可以用作显示器的一个大像素，包括几个较小的像素710。因此，在各种实施例中，(多个)处理器元件可以独立地控制作为矩阵708的一部分的像素710，以创建期望的图像数据，其中矩阵708可以用作更大的像素，并且像素710可以用作子像素。光学元件中的像素710可以相应地被划分为像素矩阵，并且(多个)处理器元件可以相应地被配置为选择性地控制每个矩阵内的像素的亮度。在各种实施例中，隔离特征可以被配置为在像素710的相邻矩阵708之间光学分离(例如防止串扰)。在一些实施例中，矩阵708内的相邻像素710可以不被隔离特征分离。在其他实施例中，相邻像素710可以被隔离特征分离。
图8是示出了被配置为将光引导到波导的光学系统800的图。它包括输入耦合802、波导804和输出耦合806。
在一个实施例中，光学组件400和/或500(诸如具有本文描述的组合LED-CMOS结构的光学组件(包括单色微型LED显示器))可以作为单独的单元被附接，或者以直接、侧面或角配置被直接安装(例如经由多个输入耦合802)到波导804上。在一种或多种实施方式中，这可以被实施在例如投影仪(投影系统)、汽车HUD、智能手表显示器和手机显示器中，它包括多个输出耦合器806，用于将图像数据传输给用户的眼睛102。
图9和10是示出了光学设备的图，诸如被直接接合至具有输入和输出耦合的波导906、1006的微型LED。这些设备分别包括光学组件902、1002(在本文中相对于例如图2至3详细描述)，被配置为利用输入耦合(分别为904和1004)将光耦合至波导906、1006，并且利用输出耦合(分别为908和1008)耦合至用户。在一些实施例中(例如图9)，接合光学设备(例如组件902)可以被直接接合至波导906而无需中间粘合剂，以将光学设备机械地和光学地耦合至波导906。在其他实施例中，光学组件可以被安装至连接至波导的框架或其他结构。
输入耦合器904、1004允许来自光学组件902、1002的图像数据进入波导906、1006(例如由介电材料制成)，它被用于经由光(包括经由例如对应的发射器阵列从光学组件902、1002发射的叠加光)传送图像数据，该光例如通过全内反射(TIR)穿过波导906、1006并且经由输出耦合908、1008到达用户的眼睛102。
在一个实施例中，如图10所示，光学装置1010(诸如例如棱镜)可以被用于重定向从光学组件1002传输的光，从而使光能够穿过波导1006。在一些实施例中，光学组件1002可以被安装至相对于波导1006成角度的另一结构，并且光可以通过所示的反射镜和组合器光学器件被重定向到光学装置1010。
图11是示出了三个颜色像素的叠加的图示的图。它包括多个光学元件(例如LED管芯(R、G、B))1102a至1102c，包括多个像素1106、载体元件1104、多个光学组合元件1108(例如透镜)、多个连接波导1110、多个反射镜装置1112a至1112c、光学组合器装置1114和波导1116。
在一个实施例中，多个光学元件1102a至1102c可以经由多个发射器(未示出)发射单色光，该单色光可以穿过对应的光学组合元件1108和连接波导1110，以被对应的反射镜装置1112a至1112c反射。如所示，多个光学元件1102a至1102c可以被设置在载体元件1104与波导1116之间。光学元件1102a至1102c可以被直接接合至载体元件1104而无需中间粘合剂。此外，反射镜装置1112a至1112c可以相对于连接波导1110成一定角度布置，以便将通过光学组合器装置1114和波导1116的传入光引导到用户的眼睛(未示出)。
在一个实施例中，载体元件1104是硅/玻璃载体，或者在另一实施例中是驱动像素1106和光学元件(诸如例如LED管芯)1102a至1102c的有源硅管芯。在一些实施例中，光学元件可以被直接接合至波导，例如接合至连接波导1110，而无需中间粘合剂。在其他实施例中，光学元件可以利用透明粘合剂被附接至波导。
因此，在各种实施例中，公开了一种接合光学设备。接合光学设备可以包括第一光学元件，该第一光学元件具有被配置为发射第一颜色的光的第一光学发射器阵列。第一光学元件可以被接合至至少一个处理器元件，该至少一个处理器元件包括被配置为控制第一光学元件的操作的有源电路系统。接合光学设备可以包括第二光学元件，该第二光学元件具有被配置为发射与第一颜色不同的第二颜色的光的第二光学发射器阵列。第二光学元件可以被接合至至少一个处理器元件。至少一个处理器元件可以包括被配置为控制第二光学元件的操作的有源电路系统。接合光学设备可以包括与第一光学元件和第二光学元件光学耦合的光学路径，该光学路径被配置为将来自第一光学发射器和第二光学发射器的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。
在一些实施例中，第一光学元件被直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，并且第二光学元件被直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂。第一光学元件和至少一个处理器元件的相应介电接合表面可以被直接彼此接合而无需中间粘合剂。第一光学元件和至少一个处理器元件的相应导电接触焊盘可以被直接彼此接合而无需中间粘合剂。第一光学发射器阵列和第二光学发射器阵列中的每个光学发射器可以被电连接至至少一个处理器元件上的对应驱动器电路。
在一些实施例中，第一光学发射器阵列中的第一光学发射器和第二光学发射器阵列中的第二光学发射器至少部分地限定像素，并且光学路径可以被配置为传输来自像素的第一光学发射器和第二光学发射器的光的叠加。至少一个处理器元件可以包括第一处理器元件和与第一处理器元件分离的第二处理器元件。第一光学元件可以被接合至第一处理器元件，并且第二光学元件可以被接合至第二处理器元件。在一些实施例中，至少一个处理器元件包括公共载体。
在各种实施例中，光学路径包括光学波导。第一光学元件可以被设置在光学波导与第一处理器元件之间。第二光学元件可以被设置在光学波导与第二处理器元件之间。在一些实施例中，第一光学元件和第二光学元件被直接接合至光学波导而无需中间粘合剂。在一些实施例中，第一光学元件和第二光学元件用对相应的第一颜色和第二颜色的光透明的一种或多种粘合剂接合。
在一些实施例中，第一光学元件和第二光学元件可以沿着平行于至少一个处理器元件的主要表面的方向彼此横向偏移。在一些实施例中，第一光学元件和第二光学元件的相应发射表面通常可以彼此平行。在一些实施例中，第一光学元件和第二光学元件的相应发射表面可以被设置为彼此不平行。
接合光学设备可以在第一光学元件中包括一个或多个光学隔离结构。光学隔离结构可以被配置为限制相邻光学发射器之间的串扰。
在一些实施例中，第一颜色在第一波长处具有第一峰值，第二颜色在第二波长处具有第二峰值。第一波长与第二波长之间的差异可以是至少25nm。因此，在各种实施例中，波长可以被分离足够的量，使得由光学元件发射的颜色可以彼此区分开。在一些实施例中，光学路径可以包括一个或多个重定向元件(例如反射镜、分束器等)以重定向来自第一图像区域和第二图像区域的光。在一些实施例中，光学路径包括被配置为作用于叠加光的透镜。
接合光学设备可以包括与光学路径光学耦合并且被接合至至少一个处理器元件的第三光学元件。第三光学元件可以被配置为发射不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色的光。第一颜色、第二颜色和第三颜色可以分别包括红色、绿色和蓝色。在各种实施例中，第一阵列中的光学发射器是独立可控的。第一光学发射器阵列和第二光学发射器阵列可以包括相应的发光二极管(LED)阵列。第一阵列中的光学发射器的间距可以小于50微米。第一阵列中的光学发射器的间距可以小于10微米。
在另一实施例中，公开了一种接合光学设备。接合光学设备可以包括被直接接合至至少一个载体而无需粘合剂的第一光学元件，该第一光学元件被配置为发射第一颜色的光。接合光学设备可以包括被直接接合至至少一个载体而无需粘合剂的第二光学元件。第二光学元件可以被配置为发射不同于第一颜色的第二颜色的光。第一光学元件和第二光学元件可以沿着平行于至少一个载体的主要表面的方向彼此横向偏移。接合光学设备可以包括与第一光学元件和第二光学元件光学耦合的光学路径，该光学路径被配置为将来自第一光学元件和第二光学元件的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。
在一些实施例中，至少一个载体包括第一载体和与第一载体分离的第二载体。在一些实施例中，至少一个载体包括至少一个处理器元件，该处理器元件包括被配置为控制第一光学元件和第二光学元件中的至少一个的操作的有源电路系统。在一些实施例中，第一光学元件可以被直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，并且第二光学元件可以被直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂。在一些实施例中，第一光学元件和至少一个载体的相应介电接合表面被直接彼此接合而无需中间粘合剂。在一些实施例中，第一光学元件和至少一个载体的相应导电接触焊盘被直接彼此接合而无需中间粘合剂。在各种实施例中，至少一个载体包括硅或玻璃中的至少一种。在一些实施例中，至少一个载体可以具有小于7ppm的热膨胀系数(CTE)。
在一些实施例中，光学路径可以包括光学波导。在一些实施例中，第三光学元件可以与光学路径光学耦合。第三光学元件可以被直接接合至至少一个载体而无需粘合剂。第三光学元件可以被配置为发射不同于第一颜色和第二颜色的第三颜色的光。
在一些实施例中，第一颜色、第二颜色和第三颜色分别包括红色、绿色和蓝色。第一光学元件和第二光学元件可以包括相应的光学发射器阵列。光学发射器可以是独立可控的。光学发射器可以包括发光二极管(LED)。
在另一实施例中，公开了一种将至少一个光学元件与至少一个处理器元件接合的方法。该方法可以包括：将第一光学元件与至少一个处理器元件接合，其中第一光学元件包括被配置为发射第一颜色的光的第一光学发射器阵列，并且至少一个处理器元件包括被配置为控制第一光学元件的操作的有源电路系统；将第二光学元件与至少一个处理器元件接合，其中第二光学元件包括被配置为发射不同于第一颜色的第二颜色的光的第二光学发射器阵列，并且至少一个处理器元件包括还被配置为控制第二光学元件的操作的有源电路系统；以及将第一光学元件和第二光学元件与光学路径耦合，该光学路径被配置为将来自第一光学发射器和第二光学发射器的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。在一些实施例中，至少一个载体包括处理器管芯。
尽管在某些实施例和示例的上下文中公开，但是本领域技术人员将理解，本发明超出具体公开的实施例延伸到其他替代实施例和/或用途及其明显的修改和等效物。进一步地，除非另有说明，否则图示的组件可以与一个或多个不同图示的相同编号的组件相同或大致类似。另外，虽然若干变化已经被详细示出和描述，但在本公开的范围内的其他修改将基于本公开而对于本领域技术人员来说显而易见。还设想实施例的具体特征和方面的各种组合或子组合可以被进行，并且仍然落入本公开的范围内。应当理解，所公开的实施例的各种特征和方面可以彼此结合或彼此替换，以形成所公开的本发明的不同模式。因此，本文公开的本发明的范围旨在不受上述具体公开的实施例的限制，而应仅通过对以下方面的公平阅读来确定。

Claims (41)

1.一种接合光学设备，包括：
第一光学元件，具有被配置为发射第一颜色的光的第一光学发射器阵列，所述第一光学元件被直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，所述至少一个处理器元件包括被配置为控制所述第一光学元件的操作的有源电路系统；
第二光学元件，具有被配置为发射与所述第一颜色不同的第二颜色的光的第二光学发射器阵列，所述第二光学元件被直接接合至所述至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，所述至少一个处理器元件包括被配置为控制所述第二光学元件的操作的有源电路系统；以及
光学路径，与所述第一光学元件和所述第二光学元件光学耦合，所述光学路径被配置为将来自所述第一光学发射器和所述第二光学发射器的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。
2.根据权利要求1所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述至少一个处理器元件的相应介电接合表面被彼此直接接合而无需中间粘合剂。
3.根据权利要求2所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述至少一个处理器元件的相应导电接触焊盘被直接接合并且彼此电连接，而无需中间粘合剂。
4.根据权利要求3所述的接合光学设备，其中所述第一光学发射器阵列和所述第二光学发射器阵列中的每个光学发射器被电连接至所述至少一个处理器元件上的对应驱动器电路。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学发射器阵列中的第一光学发射器和所述第二光学发射器阵列中的第二光学发射器至少部分地限定像素，并且其中所述光学路径被配置为传输来自所述像素的所述第一光学发射器和所述第二光学发射器的所述光的叠加。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的接合光学设备，其中所述至少一个处理器元件包括第一处理器元件和与所述第一处理器元件分离的第二处理器元件，所述第一光学元件被接合至所述第一处理器元件，并且所述第二光学元件被接合至所述第二处理器元件。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的接合光学设备，其中所述至少一个处理器元件包括公共载体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的接合光学设备，其中所述光学路径包括光学波导，其中所述第一光学元件被设置在所述光学波导与所述第一处理器元件之间，并且其中所述第二光学元件被设置在所述光学波导与所述第二处理器元件之间。
9.根据权利要求8所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件被直接接合至所述光学波导而无需中间粘合剂。
10.根据权利要求8所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件利用对相应的所述第一颜色和所述第二颜色的光透明的一种或多种粘合剂来接合。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件沿着平行于所述至少一个处理器元件的主要表面的方向彼此横向偏移，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件的相应发射表面通常彼此平行。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件的相应发射表面被设置为彼此不平行。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的接合光学设备，还包括所述第一光学元件中的一个或多个光学隔离结构，所述光学隔离结构被配置为限制相邻光学发射器之间的串扰。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一颜色在第一波长处具有第一峰值，其中所述第二颜色在第二波长处具有第二峰值，并且其中所述第一波长与所述第二波长之间的差异为至少25nm。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的接合光学设备，其中所述光学路径包括一个或多个重定向元件以重定向来自第一图像区域和第二图像区域的光。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的接合光学设备，其中所述光学路径包括被配置为作用于叠加的所述光的透镜。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的接合光学设备，还包括与所述光学路径光学耦合并且被接合至所述至少一个处理器元件的第三光学元件，所述第三光学元件被配置为发射第三颜色的光，所述第三颜色与所述第一颜色和所述第二颜色不同。
18.根据权利要求17所述的接合光学设备，其中所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色分别包括红色、绿色和蓝色。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一阵列中的所述光学发射器是独立可控的。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学发射器阵列和所述第二光学发射器阵列包括相应的发光二极管(LED)阵列。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一阵列中的所述光学发射器的间距小于50微米。
22.根据权利要求1至20中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一阵列中的所述光学发射器的间距小于10微米。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学发射器阵列和所述第二光学发射器阵列中的每个光学发射器包括多个矩阵，每个矩阵包括多个像素，所述至少一个处理器元件被配置为选择性地控制每个矩阵内的像素的亮度。
24.根据权利要求23所述的接合光学设备，还包括相邻像素矩阵之间的隔离特征。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件中的每个光学元件被配置为创建相应的单色图像。
26.一种接合光学设备，包括：
第一光学元件，被直接接合至至少一个载体而无需粘合剂，所述第一光学元件被配置为发射第一颜色的光；
第二光学元件，被直接接合至所述至少一个载体而无需粘合剂，所述第二光学元件被配置为发射与所述第一颜色不同的第二颜色的光，所述第一光学元件和所述第二光学元件沿着平行于所述至少一个载体的主要表面的方向彼此横向偏移；以及
与所述第一光学元件和所述第二光学元件光学耦合的光学路径，所述光学路径被配置为将来自所述第一光学元件和所述第二光学元件的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。
27.根据权利要求26所述的接合光学设备，其中所述至少一个载体包括第一载体和与所述第一载体分离的第二载体。
28.根据权利要求26至27中任一项所述的接合光学设备，其中所述至少一个载体包括至少一个处理器元件，所述至少一个处理器元件包括被配置为控制所述第一光学元件和所述第二光学元件中的至少一者的操作的有源电路系统。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件被直接接合至所述至少一个载体而无需中间粘合剂，并且其中所述第二光学元件被直接接合至所述至少一个载体而无需中间粘合剂。
30.根据权利要求29所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述至少一个载体的相应介电接合表面被彼此直接接合而无需中间粘合剂。
31.根据权利要求30所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述至少一个载体的相应导电接触焊盘被彼此直接接合而无需中间粘合剂。
32.根据权利要求26至31中任一项所述的接合光学设备，其中所述至少一个载体包括硅或玻璃中的至少一种。
33.根据权利要求26至32中任一项所述的接合光学设备，其中所述至少一个载体具有小于7ppm的热膨胀系数(CTE)。
34.根据权利要求26至33中任一项所述的接合光学设备，其中所述光学路径包括光学波导。
35.根据权利要求26至34中任一项所述的接合光学设备，还包括与所述光学路径光学耦合的第三光学元件，所述第三光学元件被直接接合至所述至少一个载体而无需粘合剂，所述第三光学元件被配置为发射第三颜色的光，所述第三颜色与所述第一颜色和所述第二颜色不同。
36.根据权利要求35所述的接合光学设备，其中所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色分别包括红色、绿色和蓝色。
37.根据权利要求26至36中任一项所述的接合光学设备，其中所述第一光学元件和所述第二光学元件包括相应的光学发射器阵列。
38.根据权利要求37所述的接合光学设备，其中所述光学发射器是独立可控的。
39.根据权利要求37至38中任一项所述的接合光学设备，其中所述光学发射器包括发光二极管(LED)。
40.一种将至少一个光学元件与至少一个处理器元件接合的方法，所述方法包括：
将第一光学元件直接接合至至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，其中所述第一光学元件包括被配置为发射第一颜色的光的第一光学发射器阵列，并且所述至少一个处理器元件包括被配置为控制所述第一光学元件的操作的有源电路系统；
将第二光学元件直接接合至所述至少一个处理器元件而无需中间粘合剂，其中所述第二光学元件包括被配置为发射与所述第一颜色不同的所述第二颜色的光的第二光学发射器阵列，并且所述至少一个处理器元件包括还被配置为控制所述第二光学元件的操作的有源电路系统；以及
将所述第一光学元件和所述第二光学元件与光学路径耦合，所述光学路径被配置为将来自所述第一光学发射器和所述第二光学发射器的光的叠加传输到要由用户查看的光学输出。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括：直接接合所述第一光学元件和所述至少一个处理器元件的相应介电接合表面而无需中间粘合剂，并且直接接合所述第一光学元件和所述至少一个处理器元件的相应导电接触焊盘而无需中间粘合剂。
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