CN116601547A - 用于自由观看3d显示器的高密度像素阵列 - Google Patents

Abstract

基于微型发光二极管(microLED)的显示设备包括多个小芯片。每个小芯片包括一个或多个区簇，每个区簇包括支撑在基板上的多个microLED。所述小芯片还包括与所述一个或多个区簇电连接的微型集成电路(microIC)。MicroIC包括支撑在背板上的多个互连，使得当与所述区簇连接时，microIC可以用于电驱动所述区簇的每个MicroLED。在实施例中，多个小芯片设置在显示器基板上以用于自由观看纯水平视差3D显示器。

Description

用于自由观看3D显示器的高密度像素阵列

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月21日提交的美国临时专利申请No.63/128,686的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

已经提出了提供自由立体(即，无需眼镜或近眼光学器件即可观看，或“自由观看(auto-viewed)”)三维(3D)显示器的各种类型的显示器。此类自由观看3D显示器中的一类被称为纯水平视差(HPO)显示器、柱状透镜(lenticular)显示器、光栅屏障显示器或视差屏障显示器，包含有在一个维度上(例如，水平地)分离不同视差视图的各种手段。此类显示器包含孔或透镜以将二维(2D)像素阵列复用到特定且有限的可见角度，从而能够向每只眼睛呈现不同的视差或动画序列场景视图。例如，分立视差视图通道的数量是通过以下来确定的：显示器内使用的柱状透镜的视场角、像素与透镜或孔之间的间隔、透镜或孔的宽度以及像素的大小。美国专利公布Kroon等人的No.2016/0234487A1和Kim等人的2017/0208319A1中描述了现有的自由观看3D显示器的一些示例。

当视图分布限于水平方向时，像素层中水平方向上的不同样本的数量比垂直方向上的不同样本的数量至少大两倍，甚至高达一百倍或更多倍。标准显示技术，例如基于有机发光二极管(OLED)或透射式液晶(LC)技术的技术，在像素的最小大小方面受到限制，因此在透镜大小或孔间距方面也受到限制，因为像素大小受所需显示亮度和实际像素驱动电路大小的限制。通过使用倾斜的柱状透镜(参见Kroon等人，上文引用)和来自若干个垂直行的像素(参见Kim等人，上文引用)，已经利用一些权衡来增加水平角的数量和分布跨度，同时可能减少串扰，尽管是以牺牲显示器垂直分辨率为代价的。

克服现有显示系统的此类问题的解决方案将是期望的。

发明内容

下面给出了一个或多个方面的简化概述，以便提供对这些方面的基本理解。该概述不是对所有设想到的方面的广泛概述，并且既不旨在识别所有方面的关键或极其重要的要素，也不旨在描述任何或所有方面的范围。其目的是以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，以作为稍后呈现的更详细描述的序言。

在实施例中，基于微型发光二极管(microLED)的显示设备包括多个小芯片。每个小芯片包括一个或多个区簇(raxel)，每个区簇包括支撑在基板上的多个microLED。小芯片还包括与该一个或多个区簇电连接的微型集成电路(microIC)。MicroIC包括支撑在背板上的多个互连，使得当与区簇连接时，microIC可以用于电驱动区簇的每个microLED。在实施例中，多个小芯片设置在显示器基板上以用于自由观看纯水平视差3D显示器。

附图说明

附图仅图示了一些实现方式，因此不应被认为是对范围的限制。

图1图示了根据实施例的显示系统配置。

图2图示了根据实施例的包括替选架构的显示系统像素配置。

图3和图4图示了根据实施例的替选显示系统配置。

图5和图6图示了根据实施例的显示系统像素配置的又一个变型。

图7至图10图示了根据另一实施例的显示系统像素配置的附加变型。

图11图示了显示系统像素配置的另一个替选实施例。

图12至图14图示了根据实施例的另一个示例性显示系统配置。

图15至图17图示了根据另一实施例的附加显示系统配置。

图18至图20图示了根据实施例的又一个显示系统配置。

具体实施方式

在下文中参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清楚起见，层和区域的大小和相对大小可能被放大。

应当理解的是，虽然术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开来。因此，在不脱离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

空间相关术语，诸如“下方”、“之下”、“下部”、“以下”、“之上”、“上部”等，可以在本文中用于便于描述，来描述在图中图示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。应当理解的是，除了图中描绘的定向之外，空间相关术语旨在涵盖设备在使用或操作中的不同定向。例如，如果图中的设备被翻转，元件会被描述为在其它元件或特征“之下”或“下方”或“以下”。因此，示例性术语“之下”和“以下”可以涵盖之上和之下的定向。设备可以以其它方式定向(旋转90度或以其它定向)，并且相应地解释本文使用的空间相关描述符。此外，还应当理解的是，当一个层被称为在两层“之间”时，它可以是这两层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”、“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。还应理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”。

应当理解，当一个元件或层被称为“在…上”、“连接到”、“耦合到”或“邻近”另一个元件或层时，它可以直接在…上、连接到、耦合到或邻近于该另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在…上”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“紧邻”另一个元件或层时，不存在中间元件或层。同样，当“从”一个元件接收或提供光时，它可以直接从该元件或从中间元件接收或提供。另一方面，当“直接”从一个元件接收或提供光时，不存在中间元件。

在此参照作为本发明的理想化实施例(和中间结构)的示意图的截面图来描述本发明的实施例。因此，由于例如制造技术和/或公差而导致与图示的形状发生变化是可以预料的。因此，本发明的实施例不应被解释为限于本文所图示区域的特定形状，而是包括例如由制造引起的形状偏差。因此，图中图示的区域本质上是示意性的，它们的形状并非旨在图示设备区域的实际形状，也并非旨在限制本发明的范围。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。还应当理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语应当被解释为具有与它们在相关技术和/或本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的意义，除非在此明确定义。

为了产生高亮度自由观看3D HPO显示器(例如，基于柱状透镜或基于光栅屏障)，与透镜大小和/或孔间距相比，像素密度应该相对高。此外，显示器的光通量应等于或大于2D显示器对应物的光通量。对于有机发光二极管(“OLED”)和基于液晶的显示器(“LCD”)而言，此类要求本质上是不切实际且相互矛盾的，因为此类显示器的最小像素大小受到亮度要求、像素层物理性质、必要的薄膜晶体管(“TFT”)或低温多晶硅(“LTPS”)背板电路的实际电路密度限制，以及在LCD的情况下，每个像素对背光的基本需求。例如，对于现有显示器，这些限制加上TFT和LTPS尺度限制将红-绿-蓝(“RGB”)像素的大小限制在大约30微米乘30微米(例如，Sony Xperia Z5电话上的Premium OLED显示器)，大约50微米乘50微米(例如，Apple iPhone 11上的Liquid Retina显示器)，至大约110乘110平方微米(例如，AppleMacBook上的Retina显示器)。

虽然使用互补金属氧化物硅(“CMOS”)背板可以提供高的多的密度的像素驱动电路，每平方英寸超过10,000个像素，但硅基的CMOS背板比TFT或LTPS背板更昂贵。用CMOS背板平铺大型LC或OLED显示面板并不划算。此外，高密度显示像素相对于小透镜或孔的对准的机械公差可能成问题。小透镜或孔通常使用例如注入模制、压挤(extrusion)或印刷(printing)技术来与大片材中的显示像素分开形成，并且使用例如压敏粘合剂施加到显示像素。所有这些工艺都受到数十微米数量级的机械公差的固有限制。如果每个透镜/孔后方的像素数量有限，并且透镜/孔大小与像素大小之间的比率为个位数，则与透镜/孔和像素之间未对准相关的不期望伪影无法通过校准或通过软件来补偿。与像素和透镜/孔大小相比，通常大面积的显示器加剧了这些问题，因为公差误差在制造期间从显示器的一侧累积到另一侧或从中心累积到边缘。结合这些可制造性、亮度和驱动电路的限制，使用现有技术来生产高表面分辨率、高角度分辨率和高亮度HPO自由观看3D显示器的路径是困难的。

相比之下，无机微型发光二极管(microLED)能够从小的发射区域产生高亮度，并且已被证明是可行的显示像素源。参见，例如，He等人的国际专利公开No.WO2019/209945A1、WO2019/209957A1和WO2019/209961，所有这些文献通过引用以其全文并入本文。来自单个microLED发射器的发射通量已被证明比更大面积的OLED器件高几个数量级，并且同样高于用透射式LC和背光实际可实现的发射通量。因此，更小、更高密度、更亮且更高效率的发光像素的出现为上述问题提供了独特的解决方案。

在典型的一臂长度工作距离下视觉上可辨别的像素的大小限制被认为是大约150微米(即，对应于大约1弧分/像素)，而microLED以上述尺寸的一小部分提供极亮的光发射。例如，一个10微米乘10微米的方形microLED可以发出的光通量高达10,000平方微米OLED或LC像素的光通量的1000倍(例如，500,000尼特与500尼特相比)。也就是说，microLED显示器内的发射器可以间隔开，使得全彩色红-绿-蓝(RGB)像素单元可以位于小于3微米的间距内，其中所有三种颜色可以同时且根本上发射。因此，即使在保持10,000平方微米的整体像素大小的同时，所需的microLED发光面积也比OLED或LC像素小得多，同时同样提供视网膜级分辨率和甚至更高的光通量。

利用如上所述的microLED的特性，公开了一种用于自由观看HPO 3D显示器的新配置。图1图示了根据实施例的与包含microLED的显示系统相关的概念。如图1所示，microLED发射器阵列100包括多个支撑在晶圆104上的microLED。如插图108所示，microLED110A、110B和110C布置成阵列，每个microLED的间距范围从约十微米的量级往下到亚微米级。例如，已经例示了具有数微米数量级的发射器间距的并在可见波长范围内以高亮度(即数十万尼特的数量级)提供光发射的microLED。MicroLED110A、110B和110C可以各自发射波长彼此不同的光能。例如，microLED110A可以在红色波长范围内发射，microLED110B可以在蓝色波长范围内发射，并且microLED110C可以在绿色波长范围内发射。应注意的是，虽然类似颜色的microLED示出为在插图108内布置成行，但是microLED可以按其它配置来布置，诸如成对、成簇和用于特定应用的其它适合的形式，而不脱离本文范围。

继续参考图1，microLED发射器阵列100的一部分被隔离为簇或“区簇”120。区簇120可以例如通过将microLED阵列100切割成多个区簇来创建。如图1所示，区簇120包括microLED 110A和110B各一个，以及两个microLED 110C，它们被支撑在晶圆104的基板部分122上。区簇120然后与微型集成电路(microIC)130电连接。MicroIC 130包括支撑在背板部分134上的多个互连132，使得当与区簇120连接时，microIC 130可以用于电驱动microLED110A、110B和110C中的每一个。当区簇120与microIC 130电连接时，它们一起形成“小芯片(chiplet)”135，其整体间距为10微米的数量级或更小。

最后，可以将多个小芯片135转移到显示背板以形成microLED显示器140，其一部分在图1中示出。microLED显示器140相应包括多条水平总线线路142和垂直总线线路144，支撑在显示背板146上。例如，由于每个小芯片135具有十微米的数量级或更小的间距，因此小芯片135之间的距离可以是50到100微米，以便使像素大小保持在上面讨论的150微米以下的大小限制，同时在一个或多个波长提供高亮度发射、需要简化的电子连接并且在显示背板146上留出空间用于附加部件，诸如传感器元件和其它小型电子或光学元件。此外，与显示器中的发光像素光学耦合以用于将来自发光像素的光导控(steer)至期望位置的微透镜或其它光学元件具有一百微米的数量级的尺寸。因此，与发光元件占据大部分像素占地空间(real estate)的常规显示器相比，此类光学元件关于小芯片135的光学对准得到简化。类似地，消除了由于微透镜或光学元件的边缘遮挡microLED 110的部分而导致的阴影或边缘效应所引起的伪影，因为微透镜或光学元件可以容易地覆盖小芯片135。

虽然图1示出了从microLED的密集阵列100切割出的区簇120，但区簇120可替选地通过将microLED中的每一个或一组microLED从microLED阵列100转移到基板部分120上来形成。在示例中，microLED阵列100可以包括发射不同波长的microLED，如图1所示的那样，或全部以单一波长发射。

小芯片的概念，例如，小芯片135在图2所示的实施例中得到扩展。如图2所示，显示器200的一部分包括小芯片202。每个小芯片202包括区簇210，该区簇210进而包括支撑在基板部分214上的多个microLED 212A、212B和212C。注意的是，不同于如图1所示的那样的四个microLED，每个区簇210包括多个布置成行的microLED，这将在下面的图3中进一步详细描述。MicroLED 212A、212B和212C是microLED 110A、110B和110C的相应示例。区簇210是区簇120的一个示例。

继续参考图2，microLED 212A、212B和212C中的每一个都发射光，这些光可以被诸如光锥216之类的结构收集和重定向。microLED 212A、212B和212C中的每一个包括电连接器218，其用于经由互连222与microIC 220电连接。互连222支撑在背板部分224上。然后小芯片202经由连接器232连接到显示背板230。例如，连接器232可以是导电或非导电结合。每个小芯片202都覆盖有多视(multi-view)光学器件240，该多视光学器件被配置用于与小芯片协作以将来自小芯片的光发射引导到期望位置。小芯片202和多视光学器件240的组合形成像素250，如图2所示的那样。

图3示出了根据实施例的、用于与微透镜阵列组合使用的小芯片的示例的进一步细节。如图3所示，小芯片300包括区簇320，该区簇320包括支撑在基板部分322上的多个microLED(诸如图1中的microLED 110A、110B和110C)。在图3所示的示例中，两排十七个microLED布置在区簇320中，形成多个子区簇324。区簇320被配置用于与microIC 330电连接，microIC 330进而包括支撑在背板部分334上的多个互连332。区簇320是区簇210的一个示例。

此外，如图3所示的小芯片300包括被配置用于与区簇320光学对准的微透镜阵列350。微透镜阵列350包括多个微透镜352。在示例中，微透镜352中的每一个可以被配置用于与区簇320中的一个microLED光学对准。替选地，微透镜352中的每一个可以被定大小并对准以覆盖子区簇324中的每一个。例如，微透镜阵列350可以结合到区簇320，使得小芯片300在其上包括集成的微透镜。注意的是，微透镜352可以在物理上和功能上不同于用于分离来自不同子区簇324的光以形成不同视图的常规小透镜或光学导控元件。也就是说，微透镜352可以被认为是小芯片300的一部分，同时可以提供一组单独的小透镜来形成由整体3D显示器形成的多个视图。

现在参考图4，显示器400的一部分包括支撑在显示背板410上的多个小芯片300。显示背板410分别包括多条水平总线线路412和垂直总线线路414，使得所示的显示器400的部分包括4乘4像素阵列，每个像素包括一个小芯片300。小芯片300中的每一个分别由水平总线线路412和垂直总线线路414驱动，用于贡献由显示器400产生的多个视图中的一个，例如分别是第一视图422和第二视图424，使用例如附加的透镜或光学导控元件(未示出)将它们分别显示在右眼432和左眼434处。

在实施例中，每个microLED发射器具有数微米的数量级的像素间距(例如，小于10微米、小于5微米或小于3微米)，区簇320支撑在同样小的CMOS背板上，以用于寻址每个microLED，每个小芯片的面积小至10微米乘60微米。由此产生的小芯片300可以包括以下电路，该电路使用特定通信协议与显示背板上的寻址阵列(例如，分别为水平总线线路412和垂直总线线路414)接口。替选地，每个小芯片300可以配置成能够通过更简单的TFT或LTPS显示器驱动电路来寻址，从而大大降低了与可比较的OLED或LC显示器相比的所得显示器的成本和复杂性。在一些实施例中，驱动电路可以包括解压缩电路、插补器电路、视差排序电路或被配置成提供处理功能的其它电路中的一个或多个。此外，未被小芯片300覆盖的显示背板410的剩余区域可以填充有附加的电子或光学部件，诸如传感器或晶体管。

在图5中示出了根据实施例的小芯片的替选布局。如图5所示，像素基元(cell)500包括支撑在显示背板512上的小芯片510。小芯片510包括区簇520，该区簇520进而包括基板部分522，该基板部分在其上支撑多个microLED 524A、524B和524C。区簇520是区簇320的一个示例。尽管microLED 524A、524B和524C中的每一个在图5中被示出为发射不同颜色的光，但是microLED的其它配置也是可能的，诸如所有microLED都发出单一颜色、仅两种颜色，或者它们发出特定颜色，使用颜色转换器布置(未显示)将这些颜色转换成其它波长。区簇520与microIC 530电耦合(microIC 530的互连和其它部件在图5中不可见)。

图6图示了根据实施例的图5的像素500的应用。图6示出了显示器600的放大部分。图6示出的显示器600的部分包括像素基元500的4乘4阵列。在图6所示的实施例中，显示器600进一步包括覆盖在显示器600的每个像素基元列上的圆柱形小透镜620阵列，从而通过将区簇光唯一地映射到在水平方向上辐射的不同角度来提供纯水平视差观看。替选地，圆柱形小透镜620可由视差屏障代替或与其组合，该视差屏障可起到与圆柱形小透镜类似的功能。因此，每个像素基元500对观看者630所见并由光线632表示的视图做出贡献。

在实施例中，每个像素基元500具有150微米乘150微米或更小的尺寸，使得当在500毫米以外的工作距离处观察时，像素基元跨越大约一弧分或更小。由于每个小透镜620的宽度低于观看者630的感知极限，并且每个小芯片510上的microLED发射器甚至小于每个小透镜620的宽度，因此显示器600能够生成多个方向上不同的输出场。因此，显示器600操作来提供等同于最先进的2D显示器的表面分辨率感知，具有描绘高质量、自由观看3D图像的能力。

参考图7至图10讨论了使用类似于图5和图6中所述的类似的线性小芯片的替选的像素配置。图7示出了像素700，该像素700包括背板710，该背板在其上支撑电路712。需要注意的是，虽然电路712旨在代表支撑在背板710上的电子部件的一般概念，但并不代表部件或大小上的特定电路示意图。像素700还分别包括单色第一小芯片722、第二小芯片724和第三小芯片726。第一小芯片722、第二小芯片724和第三小芯片726中的每一个可以单独形成并与背板710耦合。作为示例，第一小芯片722包括两行在红色波长范围内发射的microLED。第二小芯片724包括一行在绿色波长范围内发射的microLED，而第三小芯片726包括一行在蓝色波长范围内发射的microLED。例如，第一小芯片722包括附加的一排发红光的microLED，以补偿与当前可用的发绿光或蓝光的microLED相比，红色microLED通常表现出的更低效率和亮度。像素700与圆柱形小透镜730的一部分重叠，以用于将来自像素700的光引导到期望位置以对由包括像素700的整体显示器提供的多个视图的一部分做出贡献。

图8示出了使用线性小芯片的像素的另一变型。如图8所示，像素800包括许多与图7的像素700相同的部件，其中电路712再次代表但并不具体指示可以被支撑在背板710上的电子部件的方面。然而，像素800包括三色小芯片820，其包括三行microLED，每行microLED以特定波长范围发射，使得microLED的每个垂直列提供三种不同颜色的光发射。这种柱状布置与图5中图示的六边形填充结构不同，并且可以实现发射器的更高密度封装以及可选地实现颜色之间的可变间距。在这种情况下，所有三行microLED发射器都作为单个小芯片来驱动。

图9图示了线性小芯片像素的另一个变型，在此配置成增加不同视差输出场的密度。再次，图9中所示的电路712旨在表示支撑在背板710上的电子部件的一般概念，但并不意图指示部件或大小上的特定电路示意图。如图9所示，像素900包括第一小芯片922，其包括形成一行子区簇924的两行三色microLED。子区簇924是图3的子区簇324的示例。在图9所示的示例中，每个子区簇924包括至少一个在红色波长范围内发射光的microLED、至少一个在绿色波长范围内发射光的microLED、以及至少一个在蓝色波长范围内发射光的microLED。尽管图9示出了一个2乘2的microLED阵列，但其它布局和光发射组合也是可能的。

继续结合图10参考图9，像素900进一步包括第二小芯片932，还包括形成一行子像素934的两行三色microLED。第二小芯片932从第一小芯片922偏移半个子像素，如图9的示例所示的那样。在示例中，第一小芯片922的最左边的子像素被配置用于提供视图的最左边部分，第二小芯片932的最左边的子像素被配置用于提供视图的第二最左边部分，以此类推，如图10所示的那样。也就是说，如果显示设备1010由多个像素900形成，则观看者1030看到的视图1020是如由子像素1、2、3、4...(显示为与分别对应于第一小芯片922和第二小芯片932的子像素924和934相邻的数字)提供的视图1、2、3、4...的组合(图10中示出，形成视图1020)。这样，分别由第一小芯片922和第二小芯片932中的每一个提供的所得视差视图可以交错，使得水平视差采样增加到超过像素间距限制，从而与由单个小芯片可实现的角分辨率相比，由两个小芯片为给定像素间距产生更高的角分辨率。类似的方法可以应用于其中包含小芯片的基于视差屏障的显示系统。

小芯片概念的另一变型在图11中示出。如图11所示，像素1100分别包括第一小芯片1110A和第二小芯片1110B。第一小芯片1110A沿着像素1100的顶部边缘水平定向，并且包括区簇1120。区簇1120是图1的区簇120的示例。如上所述，区簇1120与microIC(图11中不可见)电耦合。区簇1120包括基板部分1122，该基板部分1122在其上支撑一排子区簇1124。每个子区簇1124分别包括第一microLED 1126A、第二microLED 1126B和第三microLED1126C。在图11所示的示例中，第一microLED 1126A、第二microLED 1126B和第三microLED1126C发射不同波长范围的光，诸如红色、绿色和蓝色波长范围。第一小芯片1110A覆盖有透镜1130。替选地，可以提供视差屏障来代替透镜1130或除透镜1130之外还提供视差屏障。第二小芯片1110B包括与第一小芯片1110A基本相同的部件，并且沿着像素1100的左边缘垂直定向，如图11的示例性实施例所示的那样。

第一小芯片1110A和第二小芯片1110B的正交定向分别使像素1100能够提供纯水平视差3D视图，即使在显示器旋转时也是如此。例如，如果包含有像素阵列1100的显示设备还包括陀螺仪，则当显示设备被保持在第一位置时，显示设备可以仅使用第一小芯片1110A，而当显示设备感测到它已被转动90度进入第二位置时，则显示设备停用第一小芯片1110A并激活第二小芯片1110B。这样的特征例如适用于手机或平板电脑，使得当设备被保持在纵向或横向模式下时，能够提供自由观看的纯水平视差视图。

像素1100中可用的附加占地空间可以以多种方式使用。在实施例中，图11的像素1100进一步包括单个RGB发射器1140。单个RGB发射器1140包括支撑子像素1144的基板部分1142。虽然基板部分1142被示出为正方形，但是其它形状(例如，六边形)可以用于特定应用。子像素1144包括在红色波长范围内发光的第一microLED 1146A、在绿色波长范围内发光的第二microLED 1146B和在蓝色波长范围内发光的第三microLED 1146C。例如，单个RGB发射器1140可用于显示标准(即，无视差)2D图像，因此不需要在其上集成多视光学器件。当包含有像素1100的显示设备未被用于显示3D图像时，单个RGB发射器1140可以用于2D图像的显示。替选地，可以同时激活3D和2D模式，使得2D图像可以呈现在显示设备的表面上，而3D图像或2D图像的特定部分可以呈现为漂浮在显示设备的表面上方或下方的3D对象。此外，附加的电子或光学部件可以结合到像素1100的可用区域中。例如，一个或多个传感器可以结合到像素1100中以执行诸如亮度感测、运动感测、深度感测和头部/眼睛/视线跟踪。

图12至图14图示了包含小芯片概念的替选显示器架构。如图12所示，显示器1200的一部分包括布置在相邻列中的多个小透镜1210。多个小芯片1220不是被支撑在显示背板上，而是直接附接到每个小透镜1210。小透镜阵列1210还包括信号传导总线线路1230，该信号传导总线线路嵌入在小透镜1210的光学活动区域之间并经由分支导体1232连接到每个小芯片1220。总线线路1230和分支导体1232可以例如嵌入小透镜1210内或使用丝网印刷、金属沉积或其它合适的方法印刷在小透镜1210阵列的表面上。横向相邻的小芯片可以彼此偏移，如图12所示的那样，或对准，如图6所示的那样。

图13示出了包含小芯片1220的小透镜1210的一部分的侧截面图。如图13所示，作为示例，小芯片1220可以通过安装特征1310保持就位。安装特征1310可以是夹子状特征，其被构造用于在其中牢固地容纳小芯片1220的至少一部分，并且可以在小透镜1210的制造过程期间被模制，或者在小透镜1210的制造之后添加。安装特征1310也可以包含用于连接小芯片1220与分支导体1232的电子布线。

图14示出了小透镜1210的阵列的不同部分的俯视截面图。如图14所示，小芯片1220附接到小透镜1210并经由导电总线线路1230电接入。作为说明性示例，如图14所示的那样，上部小芯片1220的第一部分发射由实线箭头1410表示的光，该光在图中由小透镜1210的曲率向下指向。类似地，同一上部小芯片1220的不同的第二部分发射由虚线箭头1412表示的光，该光在图中由小透镜1210的曲率向上指向，从而提供与上部小芯片1220的第一部分不同的视图并产生纯水平视差视图。

在图12至图14图示的布置中，小透镜1210的阵列(即光学层)成为显示设备的结构元件，而无需显示背板，从而实现更薄的显示器。此外，这种架构促进了小芯片1220与其关联的光学元件的更高精度的对准，从而减少了光学像差和图像伪影。此外，可以更有效地从像素到像素隔离光发射场，从而减少显示串扰并进一步提高图像质量。此外，可以提高显示设备的可制造性，例如，通过将每行小透镜构造为将小芯片和分支导体集成在其中的条带，然后从条带逐列组装显示设备。熟悉本领域的人员将理解的是，可以将相同的方案用于视差屏障的集成，而不是小透镜，或两者的组合。

图15和图16图示了这种小芯片直接与小透镜集成的另一个布置。如图15所示，平面显示器1500向观看者1510提供纯水平视差视图。平面显示器1500包括由小透镜1540的列支撑的小芯片1530。在平面显示器1500的中间，观看者1510的适眼区(eyebox)与平面显示器1500垂直对准，小芯片1530A可靠地提供低像差的视差视图。然而，在平面显示器1500的边缘附近，显示器的极端离轴操作可能会导致呈现给观看者1510的视图中的视觉伪影和光学像差，例如，当小芯片1530B和小透镜1540B仍然与平面显示器1500的平面对准时。

相比之下，如果平面显示器由如上所述逐列组装的、在其中集成有小芯片的小透镜条带形成，则每列小透镜的定向角(以及相应地集成在其中的小芯片的定向角)可以从显示器的中心到边缘进行调整，以便减轻由图15所图示的显示器架构导致的像差。例如，如图16所示，靠近显示器中心的小芯片1630B和小透镜1640B可以朝向中心轴线旋转一定量，集成到靠近平面显示器边缘的小透镜1640C中的小芯片1630C可以进一步朝向显示器的中心轴线旋转(例如31度)，等等。通过旋转小透镜列及其相关联的小芯片，使得每个小透镜面向期望适眼区的中心，然后可以减少边缘效应和其它光学像差。

另一种替选方案是将集成小芯片的小透镜条带组装成曲面显示器。如图17所示，曲面显示器1700被配置成向观看者1710提供纯水平视差视图。在曲面显示器1700内，显示器的曲率使得小透镜以及因此集成在其中的小芯片朝向观看者1710的适眼区弯曲，如图所示的那样。

图18至图20图示了另一个显示器架构，此处图示的是替选类型的小透镜和共形弯曲(conformally-curved)的发射器条带。例如，具有从中心到周边变化的渐变折射率的Luneburg透镜被设计为在无限远处具有共轭焦点，并且在透镜的表面产生高质量的变换。如图18所示，小透镜部分1800包括其上集成有弯曲小芯片1820的梯度折射率的Luneburg型圆柱形小透镜1810。

图19示出了小透镜部分1800的俯视截面图。如图19所示，小透镜1810由预制(pre-formed)床1910支撑，该预制床还包括用于与弯曲小芯片1820电耦合的导电总线线路1920。由于Luneburg透镜的折射性质，来自弯曲小芯片1820不同部分的光产生从相对的表面出射的准直输出，如光线1950和1955所表示的那样。替选地，弯曲的小芯片1820可以作为替代集成到预制床1910中，以便共形地接触小透镜1810，如图19所示的那样。此外，如图20所示，多个小透镜1810可以布置成列以形成显示器。每个弯曲的小芯片1820可以例如经由总线线路2010寻址。由于Luneburg透镜在大角度上实现的高质量的光学性能，因此这种Luneburg方法将具有提供大的多的视场的优势。这种方法也有可能在制造工艺中在光学部件方面提供相对的简单性。

虽然上述讨论集中在考虑基于小透镜或基于柱状透镜的显示器上，但认识到这些讨论也容易适用于基于视差/光栅屏障和基于孔的显示器。用于提供自由观看3D显示器的microLED小芯片方法通过将各个像素基元发射器分立化到它们自己的模块中，从根本上将显示器的大像素床与产生视差的光学片材分开。这种方法与高速、高分辨率的取放(pick-and-place)组装系统或单片集成(monolithically integrated)microLED制造相结合，实现了在此之前无法获得的显示器结构和系统架构。像素的大小和间距、小透镜的大小和间距、小透镜的视场(或分布角)和小透镜的焦距之间的比率可以针对每个显示应用进行调整和优化，诸如从小型可穿戴显示器到超高分辨率显示器和大型显示器。此外，可以改变发射器在小芯片内的定位以满足特定显示系统的需要。例如，可以通过适当的microLED布局方案实现视差视图的非线性间距或对小透镜引起的光学畸变的补偿。

可以在上述光学系统中的一个或多个中实现各种替选的或附加的配置或部件。因此，许多不同的实施例源于以上描述和附图。应当理解的是，从字面上描述并图示这些实施例的每个组合和子组合将是过度重复和混淆的。因此，本说明书(包括附图)应被解释为构成对此处描述的实施例的所有组合和子组合以及制作和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持对任何此类组合或子组合的权利要求。

Claims (20)

1.一种显示系统，包括：

小芯片阵列包括多个小芯片，每个小芯片包括：

多个微型发光二极管(“microLED”)，所述多个microLED设置在基板上；以及

微型集成电路(“microIC”)，

其中，所述基板和所述多个microLED与所述microIC电耦合，其中，每个小芯片具有大于小芯片高度尺寸的小芯片宽度尺寸，并且

其中，所述小芯片阵列中的所述多个小芯片的至少一部分被定向以使得所述小芯片宽度尺寸平行于水平方向来对准；

显示背板，所述显示背板被细分成像素基元；以及

导控元件阵列，所述导控元件阵列包括多个导控元件，

其中，每个小芯片通过电互连来电耦合到所述显示背板，

其中，每个像素基元支撑所述多个小芯片中的至少一个小芯片，并且

其中，所述小芯片阵列设置在所述显示背板和所述导控元件阵列之间。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个microLED布置在microLED阵列中，所述microLED阵列在相邻的microLED之间具有小于十微米的microLED间距。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述小芯片阵列是小芯片的二维网格，所述二维网格在相邻的小芯片之间具有小于150微米的小芯片间距。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述小芯片间距在50微米和100微米之间。

5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括传感器，所述传感器设置在所述显示背板的在所述多个小芯片中的相邻的小芯片之间的部分上，其中所述传感器选自由以下项组成的组：亮度传感器、运动传感器、深度传感器、眼睛传感器以及视线跟踪传感器。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述导控元件阵列在相邻的导控元件之间具有小于150微米的导控元件间距。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，每个导控元件是小透镜。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，每个小透镜是沿所述水平方向具有屈光力的圆柱形小透镜。

9.根据权利要求7所述的系统，其中，每个小透镜具有约等于像素基元宽度的小透镜宽度尺寸，并且其中每个小透镜与所述多个小芯片中的一个小芯片对准。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述小透镜宽度尺寸约为100微米。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述小透镜宽度大于所述小芯片的宽度，使得所述小透镜覆盖所述多个小芯片中的一个小芯片。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述显示背板包括多个总线线路，所述多个总线线路被配置成驱动所述小芯片阵列内的所述多个小芯片。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述显示背板包括具有至少一个电路的驱动电路，所述至少一个电路选自由以下项组成的组：解压缩电路、插补器电路以及视差排序电路。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述小芯片宽度约为60微米并且所述小芯片高度约为10微米。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述显示背板的每个像素基元支撑所述多个小芯片中的第一小芯片和第二小芯片。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一小芯片包括沿第一方向的第一行microLED，并且所述第二小芯片包括沿第二方向的第二行microLED，其中所述第二方向与所述第一方向正交。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一小芯片和所述第二小芯片中的一者被配置成根据相对于重力的显示系统定向来被激活。

18.根据权利要求15所述的系统，其中，每个小芯片内的所述多个microLED被细分成包括microLED的群组的子区簇，其中所述第二小芯片平行于所述第一小芯片，并且其中所述第二小芯片相对于所述第一小芯片沿着所述水平方向移位子区簇间距的一半。

19.根据权利要求1所述的系统，进一步包括位于所述显示背板的每个像素基元的中心处的单个红/绿/蓝(“RGB”)发射器。

20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述microIC是互补金属氧化物半导体(“CMOS”)背板，其被配置成电寻址所述小芯片内的每个microLED。