KR20220157447A - 디스플레이 뒤의 방출기 - Google Patents

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KR20220157447A
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아르노 라플라퀴에르
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애플 인크.
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Abstract

광전자 디바이스(20)는 주어진 파장에서 광학 방사선에 투명한 제1 기판(45), 및 제1 피치로 제1 기판 상에 배치된 픽셀 회로 요소들(32, 34, 38)을 포함하는 디스플레이 셀들(30)의 제1 어레이 - 픽셀 회로 요소들 사이에 미리 정의된 크기의 갭들(36)이 있음 - 를 포함하는 디스플레이(22)를 포함한다. 방출기 어레이(40)는 제1 기판에 평행하고 그에 근접한 제2 기판(51), 및 제1 피치와 상이한 제2 피치로 제2 기판 상에 배치되고 제1 기판을 향해 주어진 파장에서 광학 방사선을 방출하도록 구성된 방출기들(42)의 제2 어레이를 포함한다. 제어 회로부(50)는 픽셀 회로 요소들 사이의 갭들과 정렬되는 방출기들을 식별하고 갭들을 통해 광학 방사선을 방출하도록 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하도록 구성된다.

Description

디스플레이 뒤의 방출기
본 발명은 대체로 광전자 디바이스들에 관한 것으로, 구체적으로는, 조명기들 및 디스플레이들에 관한 것이다.
스마트폰, 증강 현실(AR) 디바이스, 가상 현실(VR) 디바이스, 및 스마트 안경과 같은 웨어러블 및/또는 휴대용 소비자 디바이스들은 광학 디스플레이들뿐만 아니라 광학 방사선의 소스들을 포함한다.
이하에 설명되는 본 발명의 실시예들은 조명기들을 디스플레이들과 통합하기 위한 개선된 설계들 및 방법들을 제공한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주어진 파장에서 광학 방사선에 투명한 제1 기판, 및 제1 피치로 제1 기판 상에 배치된 픽셀 회로 요소들을 포함하는 디스플레이 셀들의 제1 어레이 - 픽셀 회로 요소들 사이에 미리 정의된 크기의 갭들이 있음 - 를 포함하는 디스플레이를 포함하는 광전자 디바이스가 제공된다. 방출기 어레이는 제1 기판에 평행하고 그에 근접한 제2 기판, 및 제1 피치와 상이한 제2 피치로 제2 기판 상에 배치되고 제1 기판을 향해 주어진 파장에서 광학 방사선을 방출하도록 구성된 방출기들의 제2 어레이를 포함한다. 제어 회로부는 픽셀 회로 요소들 사이의 갭들과 정렬되는 방출기들을 식별하고 갭들을 통해 광학 방사선을 방출하도록 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하도록 구성된다.
개시된 실시예에서, 제2 피치는 갭들의 미리 정의된 크기보다 작다.
일부 실시예들에서, 디바이스는 방출기들에 의해 방출되고 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 광학 방사선을 검출하도록 구성된 광학 방사선의 복수의 센서들을 포함하며, 여기서 제어 회로부는 센서들에 의해 검출된 반사된 방사선에 응답하여 방출기들을 식별하도록 구성된다. 전형적으로, 센서들은 제2 기판 상에 배치된다. 일 실시예에서, 센서들은 반사된 방사선의 비행 시간을 검출하도록 구성되고, 제어 회로부는 검출된 비행 시간에 응답하여 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 방사선을 구별하도록 구성된다. 이러한 경우, 센서들은 단일-광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)들을 포함할 수 있다.
대안적으로 또는 추가적으로, 센서들은 반사된 방사선의 세기를 검출하도록 구성되고, 제어 회로부는 검출된 세기에 응답하여 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 방사선을 구별하도록 구성된다. 개시된 실시예에서, 센서들은 포토다이오드들을 포함한다.
더 추가적으로 또는 대안적으로, 제어 회로부는 픽셀 회로 요소들로부터 반사되는 방사선을 최소화하는 방출기들을 식별하고 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하도록 구성된다. 개시된 실시예에서, 제어 회로부는 연속적으로 광학 방사선을 방출하도록 방출기들의 다수의 세트들을 작동시키고, 세트들 각각으로 인해 디스플레이로부터 반사되는 방사선을 측정하고, 측정된 방사선에 응답하여 선택적으로 구동될 방출기들의 세트들 중 하나를 식별하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 방출기들은, 제1 기판에서 웨이스트(waist)로 수렴하도록 방출기들 각각으로부터의 광학 방사선을 집중시키도록 구성되는 마이크로렌즈들을 포함한다. 일 실시예에서, 제2 기판은 제1 및 제2 면들을 포함하고, 여기서 방출기들은 제2 기판의 제1 면 상에 형성되고 제2 기판을 통해 각자의 방사선 빔들을 방출하도록 구성되고, 마이크로렌즈들은 방출기들과 각각 정렬되어 제2 기판의 제2 면 상에 형성된다.
개시된 실시예에서, 방출기들은 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)들을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 주어진 파장에서 광학 방사선에 투명한 제1 기판, 및 제1 피치로 제1 기판 상에 배치된 픽셀 회로 요소들을 포함하는 디스플레이 셀들의 제1 어레이 - 픽셀 회로 요소들 사이에 미리 정의된 크기의 갭들이 있음 - 를 포함하는 디스플레이를 제공하는 단계를 포함하는, 디스플레이를 위한 방법이 제공된다. 제2 기판 및 제1 피치와 상이한 제2 피치로 제2 기판 상에 배치되고 주어진 파장에서 광학 방사선을 방출하도록 구성되는 방출기들의 제2 어레이를 포함하는 방출기 어레이가, 제2 기판이 제1 기판에 평행하게 그리고 그에 근접하고 방출기들이 제1 기판을 향해 광학 방사선을 방출하도록 배치된다. 픽셀 회로 요소들 사이의 갭들과 정렬된 방출기들이 식별되고 갭들을 통해 광학 방사선을 방출하도록 선택적으로 구동된다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 취해진 본 발명의 실시예들의 아래의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 휴대용 디바이스의 개략적인 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 디스플레이의 개략적인 정면 상세도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, VCSEL 칩 위에 중첩된 도 2의 디스플레이의 개략적인 정면 상세도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 VCSEL 칩의 개략적인 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 방출기들 및 센서들의 어레이 및 디스플레이의 일부의 개략적인 단면도이다
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 작동을 위한 VCSEL들을 선택하기 위한 교정 방법의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 디스플레이 아래에 일체형 마이크로렌즈를 갖는 VCSEL의 개략적인 단면도이다.
스마트폰, 증강 현실(AR) 디바이스, 가상 현실(VR) 디바이스, 스마트 워치, 및 스마트 안경과 같은 다양한 종류의 휴대용 컴퓨팅 디바이스들(본 명세서에서 "휴대용 디바이스들"로 총칭됨)은 광학 디스플레이들 및 광학 방사선의 소스들 둘 모두를 포함한다. (본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 것과 같은 용어들 "광선", "광학 방사선" 및 "광"은 대체적으로 가시광선, 적외선, 및 자외선 중 임의의 것 및 모두를 지칭한다.) 예를 들어, 스마트폰의 전면은 디스플레이 스크린, 사용자의 얼굴의 이미지들을 캡처하기 위한 카메라, 및 이미지 캡처 동안 얼굴을 조명하기 위한 조명 소스를 포함할 수 있다. 이러한 휴대용 디바이스들의 디스플레이들이 크기, 해상도 및 밝기의 계속되는 증가는 이러한 디바이스들의 전면들 내에서 다양한 방출기 및 센서 모듈들의 어퍼처들에 이용가능한 공간에 엄격한 제한을 부과한다.
디스플레이 레이아웃들은 디스플레이의 각각의 픽셀 내에서 픽셀 회로 요소들 사이의 갭에서 투명 창을 갖도록 설계될 수 있다. 이 창 뒤에 배치되고 그와 정렬된 VCSEL(수직-공동 표면-방출 레이저)과 같은 방출기는 창을 통해 광학 빔을 방출할 것이다. 결과적으로, 창들의 어레이 뒤의 방출기들의 어레이는 3D 매핑 또는 얼굴 인식과 같은 휴대용 디바이스의 응용들에 대한 조명을 제공할 수 있다. 그러나, 창들을 통한 방사선의 효율적인 투과는 수 마이크론의 정확도로 방출기들을 각자의 창들과 정렬시키는 것을 요구한다. 방출기들의 어레이와 디스플레이 사이의 이러한 정확도의 기계적 정렬은 현재 이용가능한 제조 방법들을 사용하여, 불가능하지는 않더라도, 매우 어렵다.
본 명세서에 설명되는 본 발명의 실시예들은, 주어진 픽셀 피치를 갖는 디스플레이, 및 디스플레이 뒤에 장착되고 픽셀 피치와 상이한 방출기 피치를 갖는 방출기 어레이를 포함하는 광전자 디바이스를 제공함으로써 이러한 문제들을 해결한다. 피치들의 차이의 결과로서, 대부분의 방출기들은 픽셀 회로 요소들 사이의 갭들에 의해 한정된 투명 창들과 정렬되지 않을 것이지만, 방출기들 중 일부는 각자의 갭들과 정렬될 것이다. 제어 회로부는 픽셀 회로 요소들 사이의 갭들과 정렬된 방출기들을 식별하고, 갭들을 통해 그들의 광학 방사선을 방출하도록 이러한 방출기들을 선택적으로 구동한다. 나머지 방출기들은 전형적으로 작동되지 않는다(테스트 및 교정 단계 동안 가능한 경우를 제외하고는). 따라서, 디스플레이 뒤의 방출기 어레이의 정밀한 제조 정렬에 대한 필요성이 제거된다.
개시된 실시예들에서, 디스플레이는 방출기 어레이에 의해 방출되는 파장에서의 광학 방사선에 대해 투명한, 유리 기판과 같은 제1 기판 상에 형성된 디스플레이 셀들의 어레이를 포함한다. 각각의 디스플레이 셀은 픽셀 회로 요소들 사이에 하나 이상의 갭들을 포함하여, 방출기 파장에서 창들을 제공한다. 방출기 어레이는 반도체 기판과 같은 제2 기판 상에 형성되고, 제2 기판은, 제1 기판에 평행하고 그에 근접하게 장착되고 방출기들이 제1 기판을 향해 광학 방사선을 방출하도록 배향된다.
방출기 어레이의 피치는 유리하게는 디스플레이 셀들에서 투명 창의 측방향 치수들 중 어느 하나보다 더 작게 만들어질 수 있다. 이러한 경우, 대략적인(coarse) 측방향 기계적 정렬만으로도, 일부 방출기들은 항상 각자의 창들과 정렬된다.
다양한 교정 절차들이, 작동될 방출기들을 식별하고, 가능하게는 현장에서의 선택을 변화시키는 데 사용될 수 있다. (이러한 변화는 예를 들어, 시간 경과에 따른 정렬의 시프트로 인해, 특히 디바이스가 일부 기계적 충격을 겪는 경우에, 필요할 수 있다.) 이러한 목적을 위해, 일부 실시예들에서, 방출기 어레이는 또한, 방출기들 사이에 산재되거나 제2 기판 상의 일부 다른 위치에 배열될 수 있거나 또는 별도의 기판 상에 배치될 수 있는 센서들을 포함한다. 제어 회로부는 픽셀 회로 요소들로부터 제2 기판을 향해 다시 반사되는 각각의 방출기로부터의 방사선을 측정하기 위해 센서들을 사용한다. 각자의 갭들과 정렬되는 방출기들은 낮은 후방-반사(back-reflection)를 갖고, 이에 기초하여 작동을 위해 식별된다. 이하에서 상세히 설명되는 일 실시예에서, 제어 회로부는 픽셀 회로 요소들로부터의 후방-반사의 특징인 단거리 반사를 식별하기 위해, 방출기들로부터의 펄스들의 방출과 센서들에서의 광자의 검출 사이의 시간을 측정한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 휴대용 디바이스(20)의 개략적인 정면도이다. 휴대용 디바이스(20)는 휴대용 디바이스의 전면의 대부분을 덮는 디스플레이(22)를 포함한다. 휴대용 디바이스(20)는, 예를 들어, 3D 매핑 또는 얼굴 인식과 같은 응용들에 활용될 수 있는 광학 방사선 소스(24)를 추가로 포함한다. 본 발명의 실시예들은 점선 프레임(26)으로 표시된 바와 같이 디스플레이(22)의 활성 부분 뒤에 소스(24)의 배치를 가능하게 한다. 소스(24)의 그러한 배치는 디스플레이 영역을 절약하는데, 이는, 그렇지 않으면 소스가 노치 영역(28)(다른 디바이스들, 예를 들어 카메라들 및 기타 방사선 센서들에 활용됨)에 배치되어야 하므로, 노치를 확대하고 결과적으로 디스플레이(22)의 유용한 영역을 감소시킬 것이기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 디스플레이(22)의 상세부(29)의 개략적인 정면도이다. 디스플레이(22)는 가시광선 및 근적외선 범위들 내의 파장들에서 광학 방사선에 투명한 유리와 같은 기판(45)을 포함한다. 디스플레이 셀들(30)의 어레이는 당업계에 공지된 디스플레이 제조 방법들에 의해 기판(45) 상에 형성된다. 각각의 디스플레이 셀(30)은 OLED(유기 발광 다이오드)(32) 및 OLED를 스위칭하기 위한 TFT(박막 트랜지스터)(34)와 같은 기판(45) 상에 배치된 픽셀 회로 요소들뿐만 아니라, 픽셀 회로들을 디스플레이(22) 외부의 전자장치에 연결하는 전도체들(38)을 포함한다.
디스플레이 셀들(30)은 특정 픽셀 피치로 기판(45) 상에 이격되어 있으며, 미리 정의된 크기의 갭들(36)이 픽셀 회로 요소들 사이에 투명 창들을 한정한다. 도시된 예에서, 셀들(30)은 WC,x = 80 μm의 x-방향으로의 피치 및 WC,y = 60 μm의 y-방향으로의 피치를 갖는다. 갭(36)의 치수들은 WW,x = 20 μm의 x-폭 및 WW,y = 50 μm의 y-폭이다. x-방향 및 y-방향은 직교 좌표 축(39)으로 표시된다.
상세부(29)는 전형적인 치수의 갭들(36)을 갖는 디스플레이 셀들(30)의 예로서만 제시된다. 다른 레이아웃들 및 치수들 및 다른 종류의 픽셀 회로 요소들을 갖는 다른 종류의 디스플레이 셀들은, 각각의 셀(30)에서 투명 창으로서의 역할을 하기에 충분한 갭을 포함하는 한, 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, VCSEL 칩(40)과 같은 방출기 어레이 위에 중첩된 디스플레이(22)의 상세부(29)의 개략도이다. 칩(40) 상의 VCSEL들(42a, 42b, 42c, 42d)은 각자의 갭들(36a, 36b, 36c, 36d)을 통해 보이고 각자의 갭들을 통해 광학 방사선을 방출하도록 선택적으로 구동된다. 이러한 방식의 VCSEL들(42a, 42b, 42c, 42d)의
Figure pct00001
매트릭스의 배열은, 예를 들어, 근접 센서에 대한 조명을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, VCSEL들(42)의 상이한 배열들 및 수들이 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 3의 VCSEL 칩(40)의 개략적인 정면도이다. VCSEL 칩(40)은 반도체 기판과 같은 기판(51) 상에 배치된 VCSEL들(42)의 매트릭스(43)를 포함한다. 매트릭스(43) 내의 VCSEL들(42a, 42b, 42c, 42d)은 도 3의 갭들(36a, 36b, 36c, 36d)과 정렬되는 특정 VCSEL들이다. 이들 VCSEL은 식별되고 각자의 갭들(36)을 통해 광학 방사선을 방출하도록 선택적으로 구동되는 반면, 매트릭스(43) 내의 나머지 VCSEL들은 작동되지 않는다.
매트릭스(43)는 이 예에서 x- 및 y-치수들 둘 모두에서 동일한 피치 P로 배치되지만, 방출기들의 다른 배열들도 가능하다. 피치 P는 갭(36)의 치수들 WW,x 또는 WW,y와 상이하고, 각각의 갭과 정렬된 적어도 하나의 VCSEL(42)이 있을 것임을 보장하기 위해, 유리하게는 갭 치수들보다 작다. 예를 들어, 도 2에 주어진 치수들의 경우, 피치 P는 대략 10 μm 이하의 정도로 선택될 수 있다. 갭(36)의 두 치수 중 어느 하나보다 훨씬 더 작은 피치(P)를 선택하는 것은, VCSEL 칩(40)과 디스플레이(22) 사이의 심지어 대략적인 측방향 정렬 허용오차도 각각의 원하는 갭(36)과의 VCSEL(42)의 정렬을 야기할 것임을 보장한다. ("측방향 정렬"은 VCSEL 칩(40)의 평면에서의 정렬을 지칭한다.) 대안적인 실시예에서, VCSEL들(42)은 Px < WW,x 및 Py < WW,y의 요건과 함께 x- 및 y-치수들에서 각각 동일하지 않은 피치들 Px 및 Py를 갖는 매트릭스로 배열될 수 있으며, 여기서 x 및 y는 다시 도 2의 직교 좌표(39)를 지칭한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 방출기들 및 센서들의 어레이(44) 및 디스플레이(22)의 일부의 개략적인 단면도이다. 어레이(44)는 디스플레이(22) 아래에서 그에 근접하고 평행하게 위치된다. 어레이(44)는 기판(51) 상의 방출기들(이 실시예에서 VCSEL들(42)) 및 센서들(이 실시예에서 SPAD(단일-광자 애벌런치 다이오드)들(48))의 쌍들을 포함한다. 단순화를 위해 2개의 방출기/센서 쌍들인 VCSEL들(42e, 42f) 및 SPAD들(48e, 48f)이 도시되어 있다. 기판(51)은, 예를 들어, SPAD들(48)을 형성하고 SPAD들 및 VCSEL들(42) 둘 모두를 구동하기 위한 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 회로부를 갖는 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 유형의 방출기들 및 센서들이 사용될 수 있으며, 주어진 센서는 다수의 방출기들 사이에서 공유될 수 있다.
제어 회로부(50)는 VCSEL들(42) 및 SPAD들(48)에 결합된다. 도시된 예에서의 어레이(44)는 VCSEL(42e) 및 SPAD(48e)를 포함하는 쌍이 갭(36)과 정렬되는 반면 VCSEL(42f) 및 SPAD(48f)를 포함하는 쌍은 갭과 정렬되지 않도록 디스플레이(22) 아래에 위치된다. SPAD들(48)은 대응하는 VCSEL들(42)에 의해 방출되고 OLED들(32), TFT들(34) 및 전도체들(38)과 같은 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 광학 방사선을 검출한다. 제어 회로부(50)는 SPAD들에 의해 검출된 반사된 방사선에 기초하여 갭들(36)과 정렬된 방출기들을 식별한다. 구체적으로, 제어 회로부(50)는 픽셀 회로 요소들로부터 반사되는 방사선을 최소화하는 VCSEL들을 식별하고 이들 식별된 방출기들을 선택적으로 구동한다. 어레이(44) 내의 나머지 VCSEL들(42)은 구동되지 않고 비활성 상태로 유지된다. VCSEL들의 이러한 종류의 선택적 작동에 사용될 수 있는 회로부는, 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2019/0363520호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 이러한 선택적 작동 방식은 VCSEL 칩에 의해 소비되는 전력을 감소시킬 뿐만 아니라 디바이스(20) 내로 반사되는 미광의 양을 감소시키는 데 유용하다.
도 5에 도시된 바와 같이, VCSEL들(42e, 42f)은 광학 방사선의 각자의 빔들(52e, 52f)을 방출한다. 빔(52e)은 (VCSEL(42e) 위의) 갭(36)을 통해 디스플레이(22) 위의 공간 내로 투과된다. 기판(45)으로부터의 잔류 표면 반사(일반적으로 몇 퍼센트)로 인해 빔의 작은 부분만이 SPAD(48e)로 반사되며, 이는 화살표(58)로 표시된다. 그러나, 빔(52f)은 픽셀 회로 요소들에 의해 차단되고, 결과적으로, 화살표(60)로 나타낸 바와 같이, 빔(52f)의 많은 부분이(픽셀 회로 요소들에 의해 흡수된 작은 부분을 제외하고) SPAD(48f)를 향해 반사된다. 따라서, 센서들(48e, 48f)로부터의 신호들에 기초하여, 제어 회로부(50)는 VCSEL(42e)을 식별할 수 있고, 후속적으로 VCSEL(42e)을 구동하지만 VCSEL(42f)은 구동하지 않을 것이다.
다양한 유형의 센서들이 디스플레이로부터의 반사를 검출하는 데 사용될 수 있지만, SPAD들(48)은 VCSEL들(42)에 의해 방출되고 대응하는 SPAD들로 다시 반사되는 광자의 비행 시간을 나타내는 출력을 제공하는 데 유리하다. 제어 회로부(50)는 VCSEL을 구동하기 위해 인가된 각각의 펄스와 대응하는 SPAD에 의해 출력된 검출 펄스 사이의 시간 차이에 기초하여 비행 시간을 추정한다. 픽셀 회로 요소들의 반사들은 매우 짧은 비행 시간들에 의해 특성화될 것이며, 따라서 디바이스(20) 전방의 더 먼 물체들로부터 SPAD들에 도달할 수 있는 반사들과 구별될 수 있다.
대안적인 실시예들에서, 광학 방사선의 센서들은 SPAD들(48)보다는 아날로그 포토다이오드들을 포함한다. 제어 회로부(50)는, 예를 들어 반사된 방사선의 통합된 세기를 표현하는 신호를, 아날로그-디지털 변환기를 통해 포토다이오드들로부터 수신한다. 이 경우, 제어 회로부(50)는 반사된 신호가 약했던 VCSEL들을 선택할 것이며, 이는 갭들(36) 뒤에 위치될 가능성이 있음을 나타낸다.
갭들(36)과 정렬되는 VCSEL들(42)을 식별할 때 이 현상을 이용하기 위해, 제어 회로부(50)는 짧은 펄스들의 트레인(train)들로서 광학 방사선을 방출하도록 다수의 VCSEL들 또는 VCSEL(42)의 세트들을 연속적으로 작동시킨다. 제어 회로부(50)는 추가로 SPAD들(48)로부터의 신호들을 수신 및 측정하고, 비행 시간들 및 수신된 펄스들의 수를 계산한다. 화살표들(58, 60)로 표시된 복귀 펄스들이 디스플레이 셀들(30)로부터 복귀할 때, 계산된 비행 시간들은 동일하며, 이는 VCSEL(42)로부터 디스플레이까지 그리고 이어서 SPAD(48)까지의 왕복 거리를 표현한다. 그러나, OLED들(32) 및 TFT들(34)과 같은 픽셀 회로 요소들로부터보다, 갭(36)에서의 기판(45)으로부터의 훨씬 더 작은 반사로 인해, 짧은 비행 시간을 갖는 SPAD(48e)에 의해 수신된 펄스들의 수는 SPAD(48f)에 의해 수신된 수보다 훨씬 더 작을 것이다. 펄스 카운트들의 이러한 차이는 최소화된 반사된 방사선에 기초하여 갭들(36)과 정렬되는 VCSEL들(42)을 식별하기 위한 수단을 제어 회로부(50)에 제공한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 갭들(36)과 정렬되는 VCSEL들(42)을 식별하기 위한 교정 방법의 개략도이다. 개시된 방법은 N개의 연속적인 단계들을 포함하며, 이는 아래에서 상세히 설명된다. 도 6은 단계 1, 2, 3 및 N을 도시하고, 방법의 세부 사항은 단계 1에 도시되어 있다.
VCSEL 칩(40)의 매트릭스(43) 내의 VCSEL들(42)의 세트는 4개의 VCSEL들(42g, 42h, 42i, 42j)의 단위 셀(62)에 의해 한정되어,
Figure pct00002
매트릭스를 형성한다. (단위 셀을 형성하는 4개의 VCSEL들은 비어 있는(clear) 중심들로 표시된다.) 단위 셀(62)은 또한 4개의 SPAD들(48)을 포함하며, 각각은 단위 셀의 4개의 VCSEL들(42) 중 하나와 연관된다(도 5에 도시된 바와 같이, 그러나 단순화를 위해 도 6에서는 생략됨).
Figure pct00003
매트릭스의 가로 (x,y) 치수들은 디스플레이 셀들(30)(도 2)의 피치들 WC,x 및 WC,y의 정수배로 선택된다. 매트릭스(43)의 피치(P)가 갭(36)의 치수들 WW,x 또는 WW,y 중 어느 하나보다 훨씬 더 작기 때문에, 단위 셀들(62) 중 적어도 하나는 4개의 대응하는 디스플레이 셀들(30) 내의 각자의 갭들과 정렬된 4개의 VCSEL들을 가질 것이다. (단위 셀(62)의
Figure pct00004
매트릭스의 측방향 치수들이 피치들 WC,x 및 WC,y의 정확한 배수는 아니더라도, 작은 피치(P)로 인해 정렬을 위한 선택이 가능하다.)
도 6의 방법의 목적은 갭들(36)과 정렬되는 VCSEL 매트릭스(43) 내의 단위 셀들(62) 중 하나를 식별하는 것이다. 단계들의 수 N은 단위 셀(62)의 크기 및 매트릭스(43) 내의 VCSEL들(42)의 수의 함수이다. 본 예는 VCSEL들(42)의
Figure pct00005
매트릭스를 포함하는 단위 셀을 사용하지만, 다른 수 및 배열의 VCSEL들을 포함하는 단위 셀들이 대안적으로 사용될 수 있다.
본 방법의 N개 단계들 각각에서, 제어 회로부(50)는 단위 셀(62)에 대한 상이한 위치를 한정하는데, 즉 제어 회로부는 길이(P)의 연속적인 별개의 단계들에서 매트릭스(43)를 가로질러 단위 셀을 시프트시킨다. 각각의 단계에서, 제어 회로부(50)는 단위 셀(62)의 4개의 VCSEL들을 구동하여 광학 방사선의 짧은 펄스들의 트레인을 방출하고, 단위 셀의 4개의 VCSEL들과 연관되는 4개의 SPAD들(48)로부터 디스플레이 셀들(30)로부터의 반사된 펄스들을 수신한다. 제어 회로부(50)는, 히스토그램 플롯(64)에 도시된 바와 같이, 시간의 함수로서 단위 셀(62)의 4개의 SPAD들(48)로부터의 총 펄스 수를 계산한다. 디스플레이 셀들(30)로부터의 반사로 인한 펄스들은, 점선 프레임(66)으로 표시된 바와 같이, VCSEL들(42)과 SPAD들 사이의 짧은 왕복 시간에 기초하여 식별될 수 있다.
단계 1은 매트릭스(43)의 왼쪽 상단 코너에 있는 단위 셀(62)을 도시한다. 플롯(64)에서, 많은 수의 펄스들이 프레임(66) 내에 보이며(프레임 외부에 몇 개의 스트레이 펄스(stray pulse)가 있음), 이는 단위 셀(62)의 현재 위치와 연관된 4개의 SPAD들(48)로의 강한 반사를 나타낸다. 강한 반사는 단위 셀(62)의 현재 위치에서의 4개의 VCSEL들이 갭들(36)과 정렬되지 않고 오히려 이들이 방출하는 방사선이 대응하는 디스플레이 셀들 내의 픽셀 회로 요소들에 충돌한다는 것을 나타낸다. 이 상황은 도 5에서 화살표(60)로 보여진 것에 대응한다.
단계 2에서, 제어 회로부(50)는 단위 셀(62)을 우측으로 한 피치 간격(P)만큼 시프트시켰다. 단계 1과 유사하게, 프레임(66) 내에서 많은 수의 펄스들이 보여지며, 이는 다시 갭들(36)에 대한 단위 셀(62)의 VCSEL들(42)의 오정렬을 나타낸다.
단계 3에서, 제어 회로부(50)는 단위 셀(62)을 우측으로 추가 피치 간격(P)만큼 시프트시켰다. 이제, 프레임(66) 내의 펄스들의 수는 단계 1 및 2보다 상당히 낮으며, 이는 단계 3의 위치에서의 단위 셀(62)의 SPAD들이 갭들(36)로부터 반사된 광학 방사선을 수신했음을 나타낸다. 이 위치에서, 단위 셀의 4개의 VCSEL들은 갭들(36)과 정렬된다. 이 상황은 도 5에서 화살표(58)로 보여진 것에 대응한다.
후속 단계 4, 5, ..., N에서, 복귀 펄스들의 수는 프레임(66) 내에서 최소 수의 펄스 카운트들을 갖는 단위 셀(62)의 최적 위치를 식별하기 위해 추가로 모니터링될 수 있다. 제어 회로부(50)는 이 단위 셀 내에서 디바이스(20)의 동작 동안 구동될 VCSEL들을 선택한다.
도 6은 구동될 VCSEL들의 최적 선택의 식별을 위한 특정 간단한 전략을 보여주지만, 다른 더 효율적인 검색 전략들이 대안적으로 사용될 수 있고 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른, 디스플레이(22) 아래에 일체형 마이크로렌즈(80)를 갖는 VCSEL(70)의 개략적인 단면도이다. 마이크로렌즈(80)는, 디스플레이(22)의 기판(45)에서 웨이스트(84)로 수렴하고 따라서 갭(36)을 통해 깨끗하게 통과하도록, VCSEL(70)로부터의 광학 방사선을 집중시킨다. 유사한 마이크로렌즈가 방출기 어레이 내의 VCSEL들, 예를 들어 매트릭스(33) 내의 VCSEL들 각각의 빔 경로 내에 형성된다.
도시된 예에서, VCSEL(70)은 기판(51)의 저부 면(72) 상에 형성되고, 빔(76)으로서 기판 내로 광학 방사선을 방출한다. 기판(51)은 예를 들어 GaAs(갈륨 비소)를 포함할 수 있다. 마이크로렌즈(80)는 기판(51)의 상부 면(78) 상에 형성된다. 통합된 마이크로렌즈를 갖는 VCSEL의 이러한 종류의 배열은, 예를 들어, 2020년 2월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/779,609호에 설명되어 있으며, 그 개시내용은 참조로서 본 명세서에 포함된다. 대안적으로, 당업계에 공지된 바와 같은 다른 배열의 마이크로렌즈들이 사용될 수 있다.
마이크로렌즈(80)는 빔(76)을 투과시키고 빔(82)으로 재집중시키고(refocus) 이를 디스플레이(22) 내의 갭(36)을 향해 투사한다. 마이크로렌즈(80)는, VCSEL(70) 및 기판(51)과 함께, 빔(82)의 웨이스트(84)가 기판(45)에 위치되도록 설계되고 위치된다. 이러한 설계는 갭(36)에서 빔(82)의 단면을 최소화하여, 빔이 갭의 에지들에서 픽셀 회로 요소들에 충돌하는 것으로부터의 손실 없이 갭을 통과할 수 있도록 한다. 반사 방지 코팅(86)은 상부 면으로부터의 반사 손실의 감소를 위해 상부 면(78) 상에 퇴적될 수 있다.
전술된 실시예들은 예로서 인용되어 있고 본 발명은 위에서 구체적으로 도시되고 기술된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 위의 본 명세서에 설명된 다양한 특징들의 조합들 및 하위조합들 둘 모두 뿐만 아니라, 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 떠오를 것이고 종래 기술에서 개시되지 않은 그의 변형들 및 수정들을 포함한다.

Claims (20)

  1. 광전자 디바이스로서,
    디스플레이 - 상기 디스플레이는,
    주어진 파장에서 광학 방사선에 투명한 제1 기판; 및
    제1 피치로 상기 제1 기판 상에 배치된 픽셀 회로 요소들을 포함하는 디스플레이 셀들의 제1 어레이를 포함하며, 상기 픽셀 회로 요소들 사이에 미리 정의된 크기의 갭들이 있음 -;
    방출기 어레이 - 상기 방출기 어레이는,
    상기 제1 기판에 평행하고 그에 근접한 제2 기판; 및
    상기 제1 피치와 상이한 제2 피치로 상기 제2 기판 상에 배치되고, 상기 제1 기판을 향해 상기 주어진 파장에서 광학 방사선을 방출하도록 구성된 방출기들의 제2 어레이를 포함함 -; 및
    상기 픽셀 회로 요소들 사이의 상기 갭들과 정렬되는 상기 방출기들을 식별하고 상기 갭들을 통해 상기 광학 방사선을 방출하도록 상기 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하도록 구성된 제어 회로부를 포함하는, 광전자 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 피치는 상기 갭들의 상기 미리 정의된 크기보다 작은, 광전자 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광전자 디바이스는, 상기 방출기들에 의해 방출되고 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 상기 광학 방사선을 검출하도록 구성된 상기 광학 방사선의 복수의 센서들을 포함하고,
    상기 제어 회로부는 상기 센서들에 의해 검출된 상기 반사된 방사선에 응답하여 상기 방출기들을 식별하도록 구성되는, 광전자 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 센서들은 상기 제2 기판 상에 배치되는, 광전자 디바이스.
  5. 제3항에 있어서, 상기 센서들은 상기 반사된 방사선의 비행 시간을 검출하도록 구성되고, 상기 제어 회로부는 상기 검출된 비행 시간에 응답하여 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 상기 방사선을 구별하도록 구성되는, 광전자 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 센서들은 단일-광자 애벌런치 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)들을 포함하는, 광전자 디바이스.
  7. 제3항에 있어서, 상기 센서들은 상기 반사된 방사선의 세기를 검출하도록 구성되고, 상기 제어 회로부는 상기 검출된 세기에 응답하여 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 상기 방사선을 구별하도록 구성되는, 광전자 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 센서들은 포토다이오드들을 포함하는, 광전자 디바이스.
  9. 제3항에 있어서, 상기 제어 회로부는 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사되는 상기 방사선을 최소화하는 상기 방출기들을 식별하고 상기 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하도록 구성되는, 광전자 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어 회로부는 상기 광학 방사선을 연속적으로 방출하도록 상기 방출기들의 다수의 세트들을 작동시키고, 상기 세트들 각각으로 인해 상기 디스플레이로부터 반사되는 상기 방사선을 측정하고, 상기 측정된 방사선에 응답하여 선택적으로 구동될 상기 방출기들의 상기 세트들 중 하나를 식별하도록 구성되는, 광전자 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방출기들은, 상기 제1 기판에서 웨이스트(waist)로 수렴하도록 상기 방출기들 각각으로부터의 상기 광학 방사선을 집중시키도록 구성되는 마이크로렌즈들을 포함하는, 광전자 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 기판은 제1 및 제2 면들을 포함하고, 상기 방출기들은 상기 제2 기판의 상기 제1 면 상에 형성되고 상기 제2 기판을 통해 각자의 방사선 빔들을 방출하도록 구성되고, 상기 마이크로렌즈들은 상기 방출기들과 각각 정렬되어 상기 제2 기판의 상기 제2 면 상에 형성되는, 광전자 디바이스.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방출기들은 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)들을 포함하는, 광전자 디바이스.
  14. 디스플레이를 위한 방법으로서,
    주어진 파장에서 광학 방사선에 투명한 제1 기판, 및 제1 피치로 상기 제1 기판 상에 배치된 픽셀 회로 요소들을 포함하는 디스플레이 셀들의 제1 어레이를 포함하는 디스플레이를 제공하는 단계 - 상기 픽셀 회로 요소들 사이에 미리 정의된 크기의 갭들이 있음 -;
    제2 기판 및 상기 제1 피치와 상이한 제2 피치로 상기 제2 기판 상에 배치되고 상기 주어진 파장에서 광학 방사선을 방출하도록 구성되는 방출기들의 제2 어레이를 포함하는 방출기 어레이를, 상기 제2 기판이 상기 제1 기판에 평행하게 그리고 그에 근접하고 상기 방출기들이 상기 제1 기판을 향해 상기 광학 방사선을 방출하도록 배치하는 단계;
    상기 픽셀 회로 요소들 사이의 상기 갭들과 정렬되는 상기 방출기들을 식별하는 단계; 및
    상기 갭들을 통해 상기 광학 방사선을 방출하도록 상기 식별된 방출기들을 선택적으로 구동하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제2 피치는 상기 갭들의 상기 미리 정의된 크기보다 작은, 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 방출기들을 식별하는 단계는 상기 방출기들에 의해 방출되고 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사되는 상기 광학 방사선을 검출하는 단계, 및 상기 반사된 방사선에 응답하여 상기 방출기들을 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 광학 방사선을 검출하는 단계는 상기 반사된 방사선의 비행 시간을 검출하는 단계, 및 상기 검출된 비행 시간에 응답하여 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 상기 방사선을 구별하는 단계를 포함하는, 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 광학 방사선을 검출하는 단계는 상기 반사된 방사선의 세기를 검출하는 단계, 및 상기 검출된 세기에 응답하여 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사된 상기 방사선을 구별하는 단계를 포함하는, 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 광학 방사선을 검출하는 단계는 상기 픽셀 회로 요소들로부터 반사되는 상기 방사선을 최소화하는 상기 방출기들을 식별하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방출기들은, 상기 제1 기판에서 웨이스트로 수렴하도록 상기 방출기들 각각으로부터의 상기 광학 방사선을 집중시키도록 구성되는 마이크로렌즈들을 포함하는, 방법.
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