JP7142082B2 - 様々な高さの発光体を含むピクセル素子 - Google Patents

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Description

本開示は、一般に、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)システムに関し、より詳細には、HMDシステムの電子ディスプレイでの可変の高さのマイクロピクセルの製造に関する。
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)が、可視媒体をユーザに提示する。従来のHMDは、一般に、光学システムを通過した後にユーザの目に達する画像光を生成するディスプレイ要素を有する。従来の光学システムでは、各ピクセルは、ディスプレイ要素の同一平面上にある。多くの場合、従来のHMDでのピクセルのそのような平面的構成は、ユーザに提示されるコンテンツに光学的歪(例えば、色収差や像面湾曲)をもたらす。
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)が、可視媒体をユーザに提示する。HMDは、光源および光学ブロックを含む。光源は、第1のサブピクセルおよび第2のサブピクセルを含む。第1のサブピクセルは、第1の高さで第1の組のマイクロバンプに実装され、第1のサブピクセルは、第1の光帯域内の光を発出する。第2のサブピクセルは、第2の高さで第2の組のマイクロバンプに実装され、第2のサブピクセルは、第1の光帯域とは異なる第2の光帯域にわたる光を発出する。光学ブロックは、光源から画像光を受け取り、画像光をアイボックスに向ける。第1の高さおよび第2の高さは、光学ブロックでの縦色収差を軽減するように構成される。また、光源は、第1の高さおよび第2の高さの変更に基づいて、光学ブロックの像面湾曲を補正する。いくつかの構成では、光源は、基板から第2の高さとは異なる第3の高さで第3の組のマイクロバンプに実装される第3のサブピクセルを含み、第3のサブピクセルは、第1の光帯域および第2の光帯域とは異なる第3の光帯域にわたる光を発出する。いくつかの実施形態では、第1のサブピクセル、第2のサブピクセル、および第3のサブピクセルはそれぞれ、複数の発光素子を備える。
いくつかの実施形態では、基板を微細加工して基板の厚さを変えて、光学ブロックでの縦色収差を軽減することができる。代替実施形態では、光学ブロックでの縦色収差を軽減するために、基板に1つまたは複数の追加の層を堆積して、基板の閾値厚さを実現することができる。別の実施形態では、第1のサブピクセルは、基板からの応力を補償するテンプレート層を含む。
本発明による実施形態は、特に、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)および電子ディスプレイを対象とする添付の特許請求の範囲に開示されており、1つの請求項カテゴリ(例えば、HMD)において言及される任意の特徴は、別の請求項カテゴリ(例えば、ディスプレイ、システム、記憶媒体、コンピュータプログラム製品、および方法)においても同様に特許請求され得る。添付の特許請求の範囲における依存関係または参照は、単に形式上の理由で選択されている。しかし、任意の前の請求項への意図的な参照(特に、多重の依存関係)により生じる任意の主題も同様に特許請求され得る。したがって、請求項およびそれらの特徴の任意の組合せが開示され、添付の特許請求の範囲で選択されている依存関係に関係なく特許請求され得る。特許請求され得る主題は、添付の特許請求の範囲に記載されている特徴の組合せだけでなく、特許請求の範囲における特徴の任意の他の組合せも含み、特許請求の範囲で言及されている各特徴は、特許請求の範囲における任意の他の特徴または他の特徴の組合せと組み合わせることができる。さらに、本明細書で述べるまたは示す任意の実施形態および特徴は、個別の請求項で特許請求することができ、および/または本明細書で述べるもしくは示す任意の実施形態もしくは特徴との任意の組合せ、もしくは添付の特許請求の範囲の任意の特徴との任意の組合せで特許請求することができる。
本発明による一実施形態では、ヘッドマウントディスプレイが、
少なくとも2つの異なる光帯域の光を含む画像光を発出するように構成された複数のピクセル素子を備える光源であって、
基板から第1の高さで第1の組のマイクロバンプに実装され、第1の光帯域内の光を発出するように構成された第1のサブピクセル、および
基板から第1の高さとは異なる第2の高さで第2の組のマイクロバンプに実装される第2のサブピクセルであって、第1の光帯域とは異なる第2の光帯域にわたる光を発出するように構成された第2のサブピクセルをさらに備え、第1のサブピクセルおよび第2のサブピクセルがそれぞれ、複数の発光素子を備える光源と、
光源から画像光を受け取り、画像光をアイボックスに向けるように構成された光学ブロックとを備え、第1の高さおよび第2の高さが、光学ブロックでの縦色収差を軽減するように構成されることがある。
光源は、基板から第2の高さとは異なる第3の高さで第3の組のマイクロバンプに実装される第3のサブピクセルを含むことがあり、第3のサブピクセルは、第1の光帯域および第2の光帯域とは異なる第3の光帯域にわたる光を発出するように構成されることがあり、第3のサブピクセルは、複数の発光素子を備えることがある。
基板は、基板の1つまたは複数の位置で閾値厚さまで微細加工されて第3のサブピクセルを実装することがあり、閾値厚さは、第1の高さおよび第2の高さに基づいて決定されて、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
閾値厚さは、基板に1つまたは複数の追加の層を堆積して1つまたは複数のスタンドオフ部分を形成することによって実現されることがあり、各スタンドオフ部分が、少なくとも第1のサブピクセルおよび第2サブピクセルを、第3の高さとは異なる第4の高さで実装して、光学ブロックでの縦色収差を軽減する。
光源は、第1のサブピクセルおよび第2のサブピクセルのそれぞれにテンプレート層を含むことがあり、テンプレート層は、基板との格子不整合による応力を補償するように構成されることがある。
基板からの第3の高さは、第1の高さとは異なることがある。
第1の組のマイクロバンプおよび第2の組のマイクロバンプは、光学ブロックからの離間距離に基づいて決定される1つまたは複数の面外高さに関連付けられることがあり、面外高さと離間距離との差は、光学ブロックの像面湾曲を補償することがある。
第1の組のマイクロバンプおよび第2の組のマイクロバンプは、閾値厚さまで微細加工された基板に実装されて、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
第1の組のマイクロバンプは、第1のテンプレート層を含む第1のサブピクセルを実装することがあり、第2の組のマイクロバンプは、第1のテンプレート層とは異なる第2のテンプレート層を含む第2のサブピクセルを実装して、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
本発明による一実施形態では、電子ディスプレイは、
基板と、
複数のマイクロバンプと、
第1の高さで基板上の第1の組のマイクロバンプに実装され、第1の光帯域内の光を発出するように構成された第1のサブピクセルと、
第1の高さとは異なる第2の高さで基板上の第2の組のマイクロバンプに実装される第2のサブピクセルであって、第1の光帯域とは異なる第2の光帯域内の光を発出するように構成された第2のサブピクセルとを備え、第1の高さおよび第2の高さが、電子ディスプレイからの光を受け取る光学ブロックでの縦色収差を軽減するように構成され、第1のサブピクセルおよび第2のサブピクセルがそれぞれ、複数の発光素子を備えることがある。
本発明による一実施形態では、電子ディスプレイは、
第2の高さとは異なる第3の高さで第3の組のマイクロバンプに実装される第3のサブピクセルを備えることがあり、第3のサブピクセルは、第1の光帯域および第2の光帯域とは異なる第3の光帯域にわたる光を発出するように構成され、第3のサブピクセルは、複数の発光素子を備える。
基板は、基板の1つまたは複数の位置で閾値厚さまで微細加工されて第3のサブピクセルを実装することがあり、閾値厚さは、第1の高さおよび第2の高さに基づいて決定されて、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
閾値厚さは、基板に1つまたは複数の追加の層を堆積して1つまたは複数のスタンドオフ部分を形成することによって実現されることがあり、各スタンドオフ部分は、少なくとも第1のサブピクセルおよび第2サブピクセルを、第3の高さとは異なる第4の高さで実装することがある。
基板からの第3の高さは、第1の高さとは異なることがある。
光源は、第1のサブピクセルおよび第2のサブピクセルそれぞれにテンプレート層を含むことがあり、テンプレート層は、基板との格子不整合による応力を補償するように構成されることがある。
第1の組のマイクロバンプおよび第2の組のマイクロバンプは、光学ブロックからの離間距離に基づいて決定される1つまたは複数の面外高さに関連付けられることがあり、面外高さと離間距離との差は、光学ブロックの像面湾曲を補償することがある。
第1の組のマイクロバンプおよび第2の組のマイクロバンプは、閾値厚さまで微細加工された基板に実装されて、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
第1の組のマイクロバンプは、第1のテンプレート層を含む第1のサブピクセルを実装することがあり、第2の組のマイクロバンプが、第1のテンプレート層とは異なる第2のテンプレート層を含む第2のサブピクセルを実装して、光学ブロックでの縦色収差を軽減することがある。
本発明のさらなる実施形態では、1つまたは複数のコンピュータ可読であり非一時的な記憶媒体が、実行されるときに本発明によるシステムまたは任意の上述の実施形態において稼働するように動作可能なソフトウェアを具現化する。
本発明のさらなる実施形態では、コンピュータ可読であり非一時的な記憶媒体を好ましくは備えるコンピュータプログラム製品が、本発明によるシステムまたは任意の上述の実施形態において使用される。
本発明のさらなる実施形態では、コンピュータによって実施される方法が、本発明によるシステムまたは任意の上述の実施形態を使用する。
少なくとも1つの実施形態によるHMDの図である。 一実施形態による、図1AのHMDの前部剛体の断面図である。 一実施形態による、異なる高さのマイクロバンプを使用して基板に接合されたサブピクセルを含むピクセル素子を示す図である。 一実施形態による、高アスペクト比マイクロバンプを使用して隆起基板に接合されたサブピクセルを含むピクセル素子を示す図である。 一実施形態による、異なるアスペクト比のマイクロバンプおよびサブピクセル上のテンプレート層を使用して基板に接合されたサブピクセルを含むピクセル素子を示す図である。 一実施形態による、図1AのHMDの一部分での縦色収差(LCA)を示す図である。 一実施形態による、縦色収差(LCA)を軽減するように構成された図1AのHMDの一部分を示す図である。 一実施形態による、像面湾曲を軽減するように構成された複数のピクセル素子を含む図1Bの電子ディスプレイの一部分を示す図である。
図面は、単に例示の目的で本開示の実施形態を示す。以下の説明から、本明細書で述べる本開示の原理または提示される利益から逸脱することなく、本明細書に示される構造および方法の代替実施形態を採用することができることが当業者には容易に理解されよう。
詳細な説明
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)が、可視媒体をユーザに提示する。HMDは、光源および光学ブロックを含む。光源は、可視媒体に対応する画像光を生成する複数のピクセル素子を含む。各ピクセル素子は、基板と、1つまたは複数のサブピクセルと、様々なアスペクト比の1つまたは複数のマイクロバンプとを含む。いくつかの構成では、各ピクセル素子は、微細加工または追加の層の堆積によって形成される所望の厚さの基板を含む。光源は、緑色(例えばλ=530nm)、青色(例えばλ=470nm)、および赤色(例えばλ=640nm)など、光の様々な光帯域を生成する。いくつかの実施形態では、縦色収差、像面湾曲、またはその両方を軽減するために、マイクロバンプのいくつかまたは全てが異なる高さに位置決めされる。
図1Aは、一実施形態によるHMD100の図である。HMD100は、コンテンツをユーザに提示するヘッドマウントディスプレイである。コンテンツの例としては、画像、ビデオ、音声、またはそれらのなんらかの組合せが挙げられる。HMD100は、ディスプレイ要素(図1Aには図示せず)と、慣性測定ユニット(IMU)110と、複数のロケータ120とを含む。図2~6を参照して以下で詳細に述べるように、ディスプレイ要素は、HMD100のユーザに提示されるコンテンツに対応する画像光での色収差を軽減する様々なアスペクト比のマイクロバンプを有するピクセル素子を含む。
IMU110は、測定信号に基づいて高速較正データを生成し、HMD100の動きに応答して複数の測定信号を生成する電子デバイスである。ロケータ120は、互いに対して、および特定の基準点に対して、HMD100の特定の位置にある物体である。ロケータ120は、発光ダイオード(LED)、コーナーキューブリフレクタ、反射マーカ、HMD100が動作する環境と対照を成すタイプの光源、またはそれらのなんらかの組合せでよい。
図1Bは、図1Aに示されるHMD100の断面図である。図1Bに示されるように、HMD100は、色収差および像面湾曲を軽減してアイボックス160に画像光を提供するディスプレイ要素を含む。HMD100の断面は、電子ディスプレイ130および光学ブロック140を含む。例示の目的で、図1Bは、片目150に関連するHMD100の断面を示すが、電子ディスプレイ130から離れた別の電子ディスプレイ130が、変更された画像光をユーザのもう片方の目に提供する。
電子ディスプレイ130は、電子信号からの視覚情報(すなわち、画像光)を提示する。電子ディスプレイ130は、1つまたは複数の電子ディスプレイ要素を含む。電子ディスプレイ要素は、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ダイオード(OLED)ディスプレイ、アクティブマトリックス有機発光ダイオードディスプレイ(AMOLED)、いくつかのタイプのフレキシブルディスプレイ、またはそれらのなんらかの組合せであってよい。図2~5Bを参照して以下で詳細に述べるように、電子ディスプレイ130は、色収差を軽減するために可変の高さのピクセル素子を含む。いくつかの構成では、図6を参照して以下で詳細に述べるように、電子ディスプレイ130は、像面湾曲を相殺するために可変の高さのピクセル素子を含むことがある。
光学ブロック140は、電子ディスプレイ130からの画像光をアイボックス160に向ける。アイボックス160は、ユーザの目150が占める空間領域である。光学ブロック140は、HMD100の重量を効果的に最小限に抑える適切な屈折率を有する材料(例えばプラスチックやガラスなど)で構成された1つまたは複数の光学素子を含む。光学素子は、例えば、電子ディスプレイ130から発出された画像光の収差の補正、電子ディスプレイ130から発出された画像光の拡大、電子ディスプレイ130から発出された画像光のいくつかの他の光学調整、またはそれらのなんらかの組合せを行うように作用することができる。光学素子に関する例としては、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、または画像光に影響を与える任意の他の適切な光学素子を挙げることができる。
図2は、一実施形態による、異なる高さの複数のマイクロバンプを使用して基板210に結合されたサブピクセルを含むピクセル素子200である。
ピクセル素子200は、可視媒体をユーザの目に提示するために画像光を生成する。ピクセル素子200は、基板210、マイクロバンプ220A、マイクロバンプ220B、マイクロバンプ230A、マイクロバンプ230B、マイクロバンプ240A、マイクロバンプ240B、第1のサブピクセル250、第1のエミッタ255、第2のサブピクセル260、第2のエミッタ265、第3のサブピクセル270、および第3のエミッタ275を含む。
基板210は、基板210に実装される1つまたは複数の物理的構成要素を支持する。基板210は、限定はしないが、ガラス、プラスチック、金属、半導体ウェハ(例えば、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウムなど)、サファイア、またはそれらのなんらかの組合せを含む材料で構成されてよい。いくつかの構成では、基板210の所望の厚さを実現するために、基板210を微細加工またはエッチングする(例えば、湿式または乾式エッチングによって薄層化/研磨する)ことがある。代替構成では、基板210の所望の厚さを実現するために、1つまたは複数の追加の層(例えば、誘電体、フォトレジスト、およびポリイミド)を基板210に堆積することがある。
マイクロバンプ220A、220B、230A、230B、240A、および240Bはそれぞれ、サブピクセル(例えば、第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270)を基板210に結合する。いくつかの構成では、マイクロバンプ(例えば、220A、220B、230A、230B、240A、および/または240B)は、基板のパッド設計、またはマイクロバンプを堆積するために使用される方法の1つもしくは複数の堆積パラメータを変更することによって製造される可変のアスペクト比を有する円柱形状を有する。マイクロバンプの形状は、円柱形、環状、または、直線状で角度が付いたもしくは丸みが付いた側断面を有する台形もしくは正方形でよい。
一例では、マイクロバンプの直径は3ミクロンであり、高さは3~6ミクロンの範囲である。別の例では、マイクロバンプの直径は5ミクロンであり、高さは5~10ミクロンの範囲である。マイクロバンプは、電気めっき、無電解堆積、スパッタリング、物理蒸着、またはそれらのなんらかの組合せなどの堆積法に基づく金属合金の固相接合によって形成される。マイクロバンプ220A、220B、230A、230B、240A、および240Bは、導電性材料で構成される。例えば、マイクロバンプ(220A、220B、230A、230B、240A、および/または240B)は、CuSn-Cu、Cu-Cu、In-Auなどの金属合金、いくつかの他の導電性材料、またはそれらのなんらかの組合せで作製される。
第1のサブピクセル250は、第1の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第1のサブピクセル250は、赤色光(例えば、λ=640nm)を発出するGaAsベースのヘテロ構造で作製される。第1のサブピクセル250は、マイクロバンプ220によって基板210に実装される。一例では、第1のサブピクセル250は、特定の結晶方位(例えば、<111>面に向かって6°ずれる)のn型GaAs基板に実装される。第1のエミッタ255は、第1の光帯域の光を生成する第1のサブピクセル250の活性領域である。一例では、第1のエミッタ255は、複数の量子井戸構造(例えば、GaInP/AlGaInP)を含み、各量子井戸に関して閾値厚さ(例えば、10nm)がある。第1のサブピクセル250は、複数の発光素子を含む。
第2のサブピクセル260は、第2の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第1のサブピクセル250は、緑色光(例えば、λ=530nm)を発出するGaNベースのヘテロ構造で作製される。第2のサブピクセル260は、マイクロバンプ230によって基板210に実装される。一例では、第2のサブピクセル260は、サファイア基板に実装される。第2のエミッタ265は、第2の光帯域の光を生成する第2のサブピクセル260の活性領域である。一例では、第2のエミッタ265は、複数の量子井戸構造(例えば、InGaN/GaN)を含み、各量子井戸に関して閾値厚さ(例えば、10nm)がある。第2のサブピクセル260は、複数の発光素子を含む。
第3のサブピクセル270は、第3の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第3のサブピクセル270は、青色光(例えば、λ=470nm)を発出するGaNベースのヘテロ構造で作製される。第3のサブピクセル270は、マイクロバンプ240によって基板210に実装される。一例では、第3のサブピクセル270は、サファイア基板に実装される。第3のエミッタ275は、第3の光帯域の光を生成する第3のサブピクセル270の活性領域である。一例では、第3のエミッタ275は、複数の量子井戸構造(例えば、InGaN/GaN)を含み、各量子井戸に関して閾値厚さ(例えば、10nm)がある。第3のサブピクセル270は、複数の発光素子を含む。
いくつかの構成では、第3のサブピクセル270は、第1のサブピクセル250および第2のサブピクセル260に比べて比較的低い高さ(例えば、11ミクロン)で実装される。そのような構成は、光学ブロック140からの各発光素子の相対距離を考慮に入れる。一般に、従来のピクセル素子では、その全てのサブピクセルが同じ高さで実装されている。対照的に、ピクセル素子200は、例えば第1のサブピクセル250からの光よりも短い波長での光を発出する第3のサブピクセル270を有する。この高さの差は、各サブピクセルからの光が光学システムを通って伝播するときに通常であれば生じる色収差を軽減するように作用する。一例では、マイクロバンプ220Aの高さは7~10ミクロンであり、マイクロバンプ230Aの高さは7~10ミクロンの範囲にあり、マイクロバンプ240Aの高さは0ミクロンである。3つのマイクロバンプ220A、230A、および240Aそれぞれの間の高さの差は、各マイクロバンプの絶対的な高さよりも重要である。1つの設計では、3つのマイクロバンプ220A、230A、および240A間の高さの差は、7~11ミクロンの範囲でよい。
いくつかの実施形態では、ピクセル素子200は、1つまたは複数のサブピクセルを含む。1つまたは複数のサブピクセルはそれぞれ異なる高さで実装されてよい。例えば、ピクセル素子200は、5つのサブピクセルを含んでいてよく、5つのサブピクセルのうちの少なくとも2つは、2つの異なる高さで実装されてよい。いくつかの実施形態では、各サブピクセルは、そのサブピクセルによって発出される光の波長に基づく高さで実装される。例えば、赤色光を発出するサブピクセルは、第1の高さで実装されてよく、緑色光を発出するサブピクセルは、第1の高さよりも低い第2の高さで実装され、青色光を発出するサブピクセルは、第2の高さよりも低い第3の高さで実装される。
図3は、一実施形態による、アスペクト比マイクロバンプを使用して隆起基板に接合されたサブピクセルを含むピクセル素子である。ピクセル素子300は、可視媒体をユーザの目に提示するために画像光を生成する。ピクセル素子300は、隆起基板310、マイクロバンプ220A、マイクロバンプ220B、マイクロバンプ230A、マイクロバンプ230B、マイクロバンプ240A、マイクロバンプ240B、第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270を含む。
隆起基板310は、隆起基板310の様々な部分に実装される1つまたは複数の物理的構成要素を支持する。隆起基板310は、限定はしないが、ガラス、プラスチック、金属、半導体ウェハ(例えば、シリコン、ヒ化ガリウム、窒化ガリウムなど)、サファイア、またはそれらのなんらかの組合せを含む材料で構成される。いくつかの構成では、隆起基板310の様々な部分で1つまたは複数の所望の厚さを実現するために、隆起基板310を様々な位置で微細加工またはエッチング(例えば、レーザリフトオフや湿式エッチングなど)することができる。隆起基板310は、厚さが0~11ミクロンの範囲のスタンドオフ部分320を含む。スタンドオフ部分320は、少なくとも1つのサブピクセルを、隆起基板310の厚さに対して特定の高さで実装する。図3の実施形態では、スタンドオフ部分320は、第1のサブピクセル250と第2のサブピクセル260とを、隆起基板310の厚さに対して同じ高さで実装する。代替構成では、光学表面からの距離に対してサブピクセルの位置を調整するために、第1のサブピクセル250は、第1のスタンドオフ部分(ここでは図示せず)に実装されてよく、第2のサブピクセル260は、第2のスタンドオフ部分(ここでは図示せず)に実装されてよい。
図3の実施形態では、第1のサブピクセル250および第2のサブピクセル260は、マイクロバンプ220Aおよびマイクロバンプ230Aを使用して第1の高さで実装され、一方第3のサブピクセル270は、隆起基板310上のマイクロバンプ240Aを使用して第2の高さで実装される。別の実施形態では、第1のサブピクセル250は、マイクロバンプ220Aを使用して第1の高さで実装され、第2のサブピクセルは、マイクロバンプ230Aを使用して第2の高さで実装される。例えば、第1の高さは少なくとも10ミクロンであり、第2の高さは少なくとも10ミクロンである。第1のサブピクセル250および第2のサブピクセル260は、0~1ミクロンの範囲のピッチを有する。
代替実施形態では、スタンドオフ部分320の所望の厚さを実現するために、1つまたは複数の追加の層(例えば、誘電体、フォトレジスト、およびポリイミド)を隆起基板310に堆積することがある。一例では、スタンドオフ部分320の厚さは、0~20ミクロンの範囲にある。特定の高さのスタンドオフ部分320を実現するために図2の基板210を微細加工するのに比べて、隆起基板310への追加の層の堆積は、スタンドオフ部分320全体にわたって正確な厚さ値およびより良い厚さ均一性を有するスタンドオフ部分320を実現し、大量生産の目的に適している。
いくつかの実施形態では、ピクセル素子300は、1つまたは複数のサブピクセルを含む。1つまたは複数のサブピクセルはそれぞれ異なる高さで実装されてよい。例えば、ピクセル素子300は、5つのサブピクセルを含んでいてよく、5つのサブピクセルのうちの少なくとも2つは、2つの異なる高さで実装されてよい。
図3のピクセル素子300は、ピクセル素子の例示的な実施形態にすぎず、図2のピクセル素子200と図3のピクセル素子300との組合せを使用していくつかの他の変形形態も可能であり、それらの変形形態は、実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように、ここでは明示的には図示しない。
図4は、一実施形態による、異なるアスペクト比のマイクロバンプと、サブピクセル上のテンプレート層とを使用して基板210に接合されたサブピクセルを含むピクセル素子400である。
ピクセル素子400は、可視媒体をユーザの目に提示するために画像光を生成する。ピクセル素子400は、基板210、マイクロバンプ220A、マイクロバンプ220B、マイクロバンプ230A、マイクロバンプ230B、マイクロバンプ240A、マイクロバンプ240B、第1のサブピクセル410、テンプレート層415、第2のサブピクセル420、テンプレート層425、および第3のサブピクセル430を含む。基板210は、限定はしないが、レーザリフトオフ、湿式化学エッチング、およびそれらのなんらかの組合せを含むプロセスによって除去される1つまたは複数の不透明層を含むことがある。
第1のサブピクセル410は、第1の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第1のサブピクセル410は、赤色光(例えば、λ=640nm)を発出するGaAsベースのヘテロ構造で作製される。第1のサブピクセル410は、マイクロバンプ220によって基板210に実装される。第1のサブピクセル410は、テンプレート層415の存在を除き、図2の第1のサブピクセル250と同様である。
テンプレート層415は、第1のサブピクセル410の成長中に追加される追加の透明層であり、基板210との格子不整合による応力を補償する。テンプレート層415は、窒化アルミニウム(AlN)、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)、窒化インジウムガリウム(InGaN)、窒化ガリウム(GaN)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、リン化インジウムガリウム(InGaP)、およびそれらのなんらかの組合せからなる群から選択される非ドープのエピタキシャル層である。また、テンプレート層415は、第1のサブピクセル410を成長させた後に追加される1つまたは複数の非エピタキシャル層を含むこともできる。例えば、非エピタキシャル層は、本発明者らのマイクロアセンブリプロセスに使用されるelayerを含むことがある。elayerは、典型的にはPDMS(ポリジメチルシロキサン)で作製された透明材料である。elayerに関する他の選択肢としては、シリコーンゲル(例えば、Wacker Semicosil 915HT-UV硬化性、最高で210℃の耐熱性)、Silopren(例えば、Ultra Clear Silopren LSR 7000)、またはPI(ポリイミド、例えば、Essar Stretch-光学的透明性および最高で300℃の温度安定性を示すタイプのポリイミド)が挙げられる。これらの材料は、マイクロスケールでの所定形状に成形することができ、良好な接着特性を有する。いくつかの構成では、テンプレート層415は、第1のサブピクセル410の成長中に追加された、閾値厚さを有する非ドープの緩衝層である。例えば、テンプレート層415の閾値厚さは、0.1ミクロン~4ミクロンの範囲にある。
第2のサブピクセル420は、第2の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第2のサブピクセル420は、緑色光(例えば、λ=530nm)を発出するGaNベースのヘテロ構造で作製される。第2のサブピクセル420は、マイクロバンプ230によって基板210に実装される。第3のサブピクセル430は、テンプレート層425の存在を除き、図2の第2のサブピクセル260と同様である。
テンプレート層425は、テンプレート層415の一実施形態である。いくつかの構成では、テンプレート層425は、第2のサブピクセル420の成長中に追加される閾値厚さを有する非ドープの緩衝層である。例えば、テンプレート層425の閾値厚さは、0.1ミクロン~4ミクロンの範囲にある。
第3のサブピクセル430は、第3の光帯域の光を発出する発光素子である。いくつかの構成では、第3のサブピクセル430は、第3のサブピクセル430の成長中に追加される閾値厚さを有する非ドープの緩衝層(ここでは図示せず)を含む。例えば、閾値厚さは、0.1ミクロン~4ミクロンの範囲にある。
図2のピクセル素子200の実施形態と図3のピクセル素子300の実施形態とを比較すると、ピクセル素子400は、高アスペクト比マイクロバンプの使用を最小限に抑え、第3のサブピクセル430の配置中のピックアップヘッドの干渉も避ける。ピックアップヘッドは、各サブピクセルを取り上げ、サブピクセルを基板210へ配置する。典型的には、ピックアップヘッドは大きく、サブピクセルを配置するために接近するまたは離れることを伴う。第3のサブピクセル430の配置は、第1のサブピクセル410および第2のサブピクセル420の配置前に、最初に行う。最初に行われない場合、ピックアップヘッドは、隣接する第2のサブピクセル420による干渉により、第3のサブピクセル430にアクセスして正しい配置位置に配置するのを制限される。テンプレート層415は、図3のピクセル素子300の隆起基板310および/または図2のピクセル素子200のアスペクト比の大きな差を用いずに、干渉の可能性を最小限に抑える。
代替実施形態では、ピクセル素子400は、1つまたは複数のサブピクセルを含む。1つまたは複数のサブピクセルはそれぞれ異なる高さで実装されてよい。例えば、ピクセル素子400は、5つのサブピクセルを含んでいてよく、5つのサブピクセルのうちの少なくとも2つは、2つの異なる高さで実装されてよい。
図4のピクセル素子400は、ピクセル素子の例示的な実施形態にすぎず、図2のピクセル素子200、図3のピクセル素子300、および図4のピクセル素子400の組合せを使用していくつかの他の変形形態も可能であり、それらの変形形態は、実施形態の態様を不必要に曖昧にしないように、ここでは明示的には図示しない。例えば、ピクセル素子200の第1のサブピクセル250は、図4のテンプレート層415を含むことがあり、第1のサブピクセル250は、図3の隆起基板310のスタンドオフ部分320に実装されることがある。
図5Aは、一実施形態による、図1AのHMDの一部分500における縦色収差(LCA)を示す。
部分500は、光学ブロック505の一部分、基板210、第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270を含む。光学ブロック505の上記部分は、図1に関連して上述した光学ブロック140の一実施形態である。光学ブロック505は、光軸510を含む。
図5Aに示されるように、第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270はそれぞれ、基板210に実装される。第1のサブピクセル250は、光学ブロック505の上記部分に向けて赤色光515および赤色光520を発出する。光学ブロック505の上記部分は、大きな発散で赤色光515および赤色光520を向け、それにより、赤色光515および赤色光520に対応する可視媒体が仮想像面535でユーザの目150に見えるようにする。第3のサブピクセル270は、光学ブロック505の上記部分に向けて青色光525および青色光530を発出する。光学ブロック505の上記部分は、大きな発散で青色光525および青色光530を向け、それにより、青色光525および青色光530に対応する可視媒体が仮想像面540でユーザの目150に見えるようにする。光軸510を基準とした仮想像面535と仮想像面540との相対位置の差は、ユーザの目150に提示されたときに縦色収差をもたらす。
図5Bは、一実施形態による、縦色収差(LCA)を軽減するように構成された図1AでのHMDの一部分502を示す。
部分502は、ピクセル素子200の第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270を含む。いくつかの構成では、図3および図4に関連して上述したように、部分502は、ピクセル素子300およびピクセル素子400のサブピクセルを含んでいてもよい。代替構成では、部分502は、ディスプレイによって発出される少なくとも2つの帯域の光に関してLCAを補正するように設計されたいくつかの他のピクセル素子を含んでいてもよい。
図5Bに示すように、第1のサブピクセル250、第2のサブピクセル260、および第3のサブピクセル270はそれぞれ、基板210に実装される。第1のサブピクセル250は、光学ブロック505の上記部分に向けて赤色光515および赤色光520を発出する。光学ブロック505の上記部分は、無限遠の距離に形成された仮想像面(ここでは図示せず)に対応する平面波として赤色光515および赤色光520を向ける。ユーザの目150は、無限遠の距離から部分502を出た平面波として可視媒体を解釈するので、赤色光515および赤色光520は、縦色収差が軽減した状態で可視媒体をユーザの目150に提示する。図5Aの部分500と比較したとき、部分502は、LCAを数十ミクロンに軽減するピクセル素子を含むことに留意されたい。第3のサブピクセル270は、光学ブロック505の上記部分に向けて青色光525および青色光530を発出する。光学ブロック505の上記部分は、青色光525と青色光530とを、無限遠の距離に形成された同じ仮想像面に向ける。青色光525および青色光530は、縦色収差が軽減された状態で可視媒体をユーザの目150に提示する。図5Bの実施形態では、第1のサブピクセル250と第2のサブピクセル260とは同じ相対高さにあるが、これらのサブピクセルは、異なる帯域で発光し、それに従っていくらかの縦色収差があり得ることに留意されたい。しかし、大抵の場合、赤色光と緑色光との間での収差の量は最小であり、したがって、例えば製造を単純化してコストを削減するために、第1のサブピクセル250と第2のサブピクセル260とは同じ相対高さに配置されてよい。さらに、目は緑色光に対して最も敏感であるため、いくつかの実施形態では、第1のサブピクセル250および第3のサブピクセル270に関する基板210からの距離は、対応する仮想像面が、第2のサブピクセル260から発出される緑色光に関する仮想像面と同一の位置になるように設定されることがある。
いくつかの実施形態では、全ての帯域の光に対する色収差を軽減するために、特定の帯域の光を発出する各サブピクセルは、基板210からの特定の距離に位置決めされる。例えば、第1のサブピクセル250は赤色光を発出し、基板210から第1の距離にあり、第2のサブピクセル260は緑色光を発出し、基板210から第1の距離未満の第2の距離にあり、青色光を発出する第3のサブピクセル270は、基板210から第2の距離未満の第3の距離にある。
図6は、一実施形態による、像面湾曲を軽減するように構成された複数のピクセル素子を含む図1Bの電子ディスプレイ130の一部分600を示す。部分600は、ピクセル素子605と、光学ブロック610の一部分とを含む。光学ブロック610の上記部分は、図1Bを参照して上述した光学ブロック140の一実施形態である。図5を参照して上述したのと同様に、光学ブロック610の上記部分は、光軸510を含む。図2を参照して上述したように、マイクロバンプ620、630、640、および650はそれぞれ、マイクロバンプ220Aの一実施形態である。
図6に示されるように、マイクロバンプ620、630、640、および650はそれぞれ異なる高さに関連付けられ、したがって、マイクロバンプに実装される対応するサブピクセルは、それぞれの面外高さに関連付けられる。各サブピクセルの面外高さは、光学ブロック610の上記部分からの離間距離の関数である。図6の例では、マイクロバンプ650は、サブピクセル680が光学ブロック610の上記部分から距離670だけ離間されるように、特定の面外高さ660(例えば6ミクロン)に関連付けられる。一例では、距離670は、100~500ミクロンの範囲にある。面外高さと光学ブロック610の上記部分からの離間距離との間のそのような相対的な差が、光学ブロック610の上記部分の像面湾曲を補償する。いくつかの構成では、光学ブロック610の上記部分は、1つまたは複数の回転非対称面を有するレンズを含むことがあり、ピクセル素子605は、そのような回転非対称面の曲率半径の差を補償するために複数の面外高さ(ここでは図示せず)を含むことがある。そのような構成により、対応するサブピクセルそれぞれの面外高さ660を調整することによって、光学ブロック610の上記部分内のレンズの像面湾曲を補償することが可能になる。図6の実施形態は、光学ブロック610の上記部分の設計を単純化し、ユーザの目150に提示される可視媒体の質を犠牲にすることなく、光学ブロック610の上記部分の比較的小さいレンズを実現することができる。
追加の構成情報
本開示の実施形態の上記の説明は、例示の目的で提示されており、網羅的なものとは意図されておらず、または開示した厳密な形態に本開示を限定することは意図されていない。関連技術の当業者は、上記の開示に照らして多くの修正形態および変形形態が可能であることを理解されよう。
本説明のいくつかの箇所では、情報に対する操作のアルゴリズムおよび記号表現によって本開示の実施形態が述べられている。これらのアルゴリズム記述および表現は、データ処理分野における当業者によって、自分の研究の内容を他の当業者に効果的に伝えるために一般的に使用される。これらの操作は、機能的、計算的、または論理的に述べられているが、コンピュータプログラムまたは等価の電気回路やマイクロコードなどによって実装されるものと理解される。さらに、一般性を失うことなく、時として、これらの操作の構成をモジュールとして表すことが好都合であることも分かっている。本明細書で述べる操作およびそれらの関連モジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの任意の組合せで実施されてよい。
本明細書で述べる任意のステップ、操作、またはプロセスは、単独でまたは他のデバイスと組み合わせて、1つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールで実行または実装されてよい。一実施形態では、ソフトウェアモジュールは、本明細書で述べる任意のまたは全てのステップ、操作、またはプロセスを実施するためのコンピュータプロセッサによって実行することができるコンピュータプログラムコードを含むコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品によって実装される。
また、本開示の実施形態は、本明細書での操作を実施するための装置に関する。この装置は、所要の目的のために特別に構築されてよく、および/またはコンピュータに格納されたコンピュータプログラムによって選択的に作動または再構成される汎用の計算デバイスを備えていてもよい。そのようなコンピュータプログラムは、非一時的であり有形のコンピュータ可読記憶媒体、またはコンピュータシステムバスに結合することができる電子命令を格納するのに適した任意のタイプの媒体に格納されてよい。さらに、本明細書で言及される任意の計算システムは、単一のプロセッサを含んでいてよく、または計算能力を高めるために複数のプロセッサ設計を採用するアーキテクチャでもよい。
また、本開示の実施形態は、本明細書で述べる計算プロセスによって製造される製品に関することもある。そのような製品は、計算プロセスから得られる情報を含むことができ、その情報は、非一時的であり有形のコンピュータ可読記憶媒体に格納され、本明細書で述べるコンピュータプログラム製品または他のデータ組合せの任意の実施形態を含むことがある。
最後に、本明細書で使用されている言葉は、主として、読みやすいように、説明の目的のために選択されたものであり、発明の主題を定めるためまたは限定するために選択されてはいないことがある。したがって、本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に基づいて出願時に提出された任意の請求項によって制限されることが意図される。したがって、実施形態の本開示は、以下の特許請求の範囲に記載されている本開示の範囲を例示することを意図されており、限定することは意図されていない。

Claims (18)

  1. 少なくとも2つの異なる光帯域の光を含む画像光を発出するように構成された複数のピクセル素子を備える光源であって、
    基板から第1の高さで第1の組のマイクロバンプに実装され、第1の光帯域内の光を発出するように構成された第1のサブピクセル、および
    前記基板から前記第1の高さとは異なる第2の高さで第2の組のマイクロバンプに実装された第2のサブピクセルであって、前記第1の光帯域とは異なる第2の光帯域にわたる光を発出するように構成された第2のサブピクセルをさらに備え、前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルがそれぞれ、複数の発光素子を備える光源と、
    前記光源から前記画像光を受け取り、前記画像光をアイボックスに向けるように構成された光学ブロックとを備え、前記第1の高さおよび前記第2の高さが、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減するように構成された、
    ヘッドマウントディスプレイ。
  2. 前記光源が、前記基板から前記第2の高さとは異なる第3の高さで第3の組のマイクロバンプに実装される第3のサブピクセルを含み、前記第3のサブピクセルが、前記第1の光帯域および前記第2の光帯域とは異なる第3の光帯域にわたる光を発出するように構成され、前記第3のサブピクセルが、複数の発光素子を備える、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 前記基板が、前記基板の1つまたは複数の位置で閾値厚さまで微細加工されて前記第3のサブピクセルを実装し、前記閾値厚さが、前記第1の高さおよび前記第2の高さに基づいて決定されて、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減する、請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  4. 前記閾値厚さが、前記基板に1つまたは複数の追加の層を堆積して1つまたは複数のスタンドオフ部分を形成することによって実現され、各スタンドオフ部分が、少なくとも前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルを、前記第3の高さとは異なる第4の高さで実装して、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減する、請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 前記基板からの前記第3の高さが、前記第1の高さとは異なる、請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  6. 前記光源が、前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルのそれぞれにテンプレート層を含み、前記テンプレート層が、前記基板との格子不整合による応力を補償するように構成された、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  7. 前記第1の組のマイクロバンプおよび前記第2の組のマイクロバンプが、前記光学ブロックからの離間距離に基づいて決定される1つまたは複数の面外高さに関連付けられ、前記面外高さと前記離間距離との差が、前記光学ブロックの像面湾曲を補償する、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  8. 前記第1の組のマイクロバンプおよび前記第2の組のマイクロバンプが、閾値厚さまで微細加工された前記基板に実装されて、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減する、請求項7に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  9. 前記第1の組のマイクロバンプが、第1のテンプレート層を含む前記第1のサブピクセルを実装し、前記第2の組のマイクロバンプが、前記第1のテンプレート層とは異なる第2のテンプレート層を含む第2のサブピクセルを実装して、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減し、前記第1のテンプレート層及び前記第2のテンプレート層は、前記基板からの応力を補償するように構成されている、請求項7に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  10. 電子ディスプレイ及び光学ブロックを備えるヘッドマウントディスプレイシステムであって、
    前記電子ディスプレイ
    基板と、
    複数のマイクロバンプと、
    第1の高さで前記基板上の第1の組のマイクロバンプに実装され、第1の光帯域内の光を発出するように構成された第1のサブピクセルと、
    前記第1の高さとは異なる第2の高さで前記基板上の第2の組のマイクロバンプに実装される第2のサブピクセルであって、前記第1の光帯域とは異なる第2の光帯域内の光を発出するように構成された第2のサブピクセルとを備え、前記第1の高さおよび前記第2の高さが、前記電子ディスプレイからの光を受け取る前記光学ブロックでの縦色収差を軽減するように構成され、前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルがそれぞれ、複数の発光素子を備える、
    ヘッドマウントディスプレイシステム
  11. 前記電子ディスプレイが、前記第2の高さとは異なる第3の高さで第3の組のマイクロバンプに実装される第3のサブピクセルをさらに備え、前記第3のサブピクセルが、前記第1の光帯域および前記第2の光帯域とは異なる第3の光帯域にわたる光を発出するように構成され、前記第3のサブピクセルが、複数の発光素子を備える、請求項10に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  12. 前記基板が、前記基板の1つまたは複数の位置で閾値厚さまで微細加工されて前記第3のサブピクセルを実装し、前記閾値厚さが、前記第1の高さおよび前記第2の高さに基づいて決定されて、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減する、請求項11に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  13. 前記閾値厚さが、前記基板に1つまたは複数の追加の層を堆積して1つまたは複数のスタンドオフ部分を形成することによって実現され、各スタンドオフ部分が、少なくとも前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルを、前記第3の高さとは異なる第4の高さで実装する、請求項12に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  14. 前記基板からの前記第3の高さが、前記第1の高さとは異なる、請求項12に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  15. 光源が、前記第1のサブピクセルおよび前記第2のサブピクセルそれぞれにテンプレート層を含み、前記テンプレート層が、前記基板との格子不整合による応力を補償するように構成された、請求項10に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  16. 前記第1の組のマイクロバンプおよび前記第2の組のマイクロバンプが、前記光学ブロックからの離間距離に基づいて決定される1つまたは複数の面外高さに関連付けられ、前記面外高さと前記離間距離との差が、前記光学ブロックの像面湾曲を補償する、請求項10に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  17. 前記第1の組のマイクロバンプおよび前記第2の組のマイクロバンプが、閾値厚さまで微細加工された前記基板に実装されて、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減する、請求項16に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
  18. 前記第1の組のマイクロバンプが、第1のテンプレート層を含む前記第1のサブピクセルを実装し、前記第2の組のマイクロバンプが、前記第1のテンプレート層とは異なる第2のテンプレート層を含む第2のサブピクセルを実装して、前記光学ブロックでの縦色収差を軽減し、前記第1のテンプレート層及び前記第2のテンプレート層は、前記基板からの応力を補償するように構成されている、請求項16に記載のヘッドマウントディスプレイシステム
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