TWI794619B - 波導顯示器及其包含單晶片超輻射發光二極體陣列的源組件 - Google Patents

波導顯示器及其包含單晶片超輻射發光二極體陣列的源組件 Download PDF

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Abstract

一種用於提供光的源組件。源組件包含源元件陣列以及掃描鏡組件。源元件陣列包含用於發射光之超輻射發光二極體(SLED)的SLED陣列。SLED陣列位於單一的晶片上。SLED陣列中的各個SLED可於相同的色彩通道中(例如綠色)發光。可設有各位於相應的晶片上且各關於不同色彩通道(例如一個為紅色、一個為藍色且一個為綠色)的多個SLED陣列。掃描鏡組件用於將發自SLED陣列(及/或多個SLED陣列)的光掃描至(例如波導顯示器的)輸出波導的入口位置而作為掃描影像光。

Description

波導顯示器及其包含單晶片超輻射發光二極體陣列的源組件
本發明概略性地關於近眼顯示器，特別是用於波導顯示器的單晶片(single-chip)超輻射發光二極體(superluminous light emitting diode，SLED)陣列。
在用於近眼顯示器的習知顯示器設計中，所顧及的一些重要因素為亮度(brightness)、幀率(framerate)、解析度(resolution)及緊密度(compactness)。於習知近眼顯示器中，用於微機電系統(microelectromechanical systems，MEMS)微鏡(micromirror)所組成的二維(two dimensional，2D)掃描顯示器的幀率及解析度一般而言會被MEMS的微鏡之共振頻率(resonant frequency)所限制。舉例來說，以27千赫茲(kilo Hertz，kHz)操作且掃描1080條線的點線掃描(raster-scanning)MEMS微鏡可被限制於35幀每秒(frames per second，fps)的幀率。此幀率對於現今的擴增實境及虛擬實境應用而言是不足夠的。
一種用於提供光的源組件。源組件包含一源元件陣列以及一掃描鏡組件。源元件陣列包含用於發射光的多個超輻射發光二極體(super luminous light emitting diode，SLED)的一SLED陣列。SLED陣列位於單一的一晶片上。於某些實施例中，SLED陣列中的各個SLED於相同的色彩通道中(channel)發光(例如綠色)。於某些實施例中，設置有位於相應的晶片上之多個SLED陣列，且各個SLED陣列有關於不同的色彩通道(例如一個為紅色、一個為藍色且一個為綠色)。掃描鏡組件用於掃描從SLED陣列(及/或多個SLED陣列)發出的光至一輸出波導的一入口位置而成為掃描影像光。
於某些實施例中，源組件為一波導顯示器的一部份。波導顯示器可為一人工實境系統的一部分。波導顯示器包含源組件及一輸出波導。輸出波導包含一輸入區域及一輸出區域。輸出波導用於在輸入區域接收自掃描鏡組件發出的掃描影像光。輸出波導用於在至少一個維度來擴展所接收的光而形成擴展影像光。輸出波導用於從輸出區域的一部份輸出擴展影像光。
本發明之各實施例可包含人工實境系統，或與人工實境系統一起實施。人工實境為一種在呈現給使用者前使用某些方法調整的一種實境，且人工實境例如可包含虛擬實境(virtual reality，VR)、擴增實境(augmented reality，AR)、混合實境(mixed reality，MR或hybrid reality)或一些上述之結合及/或衍伸物。人工實境內容可包含完全合成內容或是合成內容以及捕捉(例如真實世界)之內容的結合。人工實境內容可包含影片、音訊、觸覺反饋(haptic feedback)或某些上述之結合，且上述之內容可於單一頻道或多個頻道(例如產生三維效果給觀看者的立體影片)中呈現。此外，於某些實施例中，人工實境也可與應用程式(application)、產品、配件(accessories)、服務或一些上述之結合有關，且它們例如用於在人工實境中產生內容及/或使用(例如執行活動)於人工實境中。提供人工實境內容的人工實境系統可於各種平台實施，且這些平台包含連接至一主電腦系統的頭戴式顯示器(head-mounted display，HMD)、獨立的(standalone)HMD、近眼顯示器(near-eye display，NED)、行動裝置、計算系統或任何其他能提供人工實境內容給一或多個觀看者的硬體平台。
源組件例如提供光至波導顯示器。源組件包含一源元件陣列及一掃描鏡組件。源元件陣列包含用於發光的多個超輻射發光二極體(superluminous light emmiting diode，SLED)的SLED陣列。SLED陣列位於單一的晶片上。於各種實施例中，將多個SLED置於單一的晶片(例如於一陣列中)能降低各個SLED之間的距離。此外，將多個SLED置於單一的晶片可降低各個SLED的發光器距離(emitter distances)之變異數(variance)(例如以小於1微米之公差光刻地定義發光器間距)。於某些實施例中，SLED陣列中的各個SLED於相同的色彩通道發光(例如綠色)。替代地，SLED陣列可在單一的晶片上包含不同色彩通道的多個SLED。
色彩通道為波長的特定光學譜帶(band)，且光學譜帶可相對較窄(例如5奈米)。色彩通道可為波長的光學譜帶，且此光學譜帶對應於可見光譜的某些部份(例如紅光、綠光、黃光、藍光、紫光等等)、紅外光譜的某些部份或電磁光譜的一些其他部分。可見光譜中的色彩通道一般用於呈現內容給使用者。可見光譜外的色彩通道例如可用於提供結構光圖案(structured light pattern)，且此結構光圖案能被用來追蹤使用者的眼睛之移動。
於某些實施例中，設有多個SLED陣列，且這些SLED陣列各位於相應的晶片上並有關於不同的色彩通道(例如一個為紅色、一個為藍色且一個為綠色)。光結合組件可被用來將來自不同SLED陣列(在不同的晶片上)的光結合成提供至掃描鏡組件的單一光束。
掃描鏡組件用於將自SLED陣列(及/或多個SLED陣列)發出的光掃描至輸出波導的入口位置而成為掃描影像光。掃描鏡組件可包含一或多個微機電系統(microelectromechanical system，MEMS)鏡以掃描光。值得注意的是，用於MEMS鏡的幀率及解析度通常被(MEMS鏡的)共振頻率所限制，且增加共振頻率來供應(accommodate)高幀率係非常困難的。SLED陣列可被視為線源(line source)(即於一個維度排列的多個點源)。因此，影像的一大部分對於假定的瞬間及時被掃描出來(相較於點源)，而能增加有效幀率(相對於傳統點源掃描系統)，進而避開(bypass)必須增加MEMS鏡的共振頻率之問題。
輸出波導例如可為波導顯示器的一部份。波導顯示器可為人工實境系統的一部份。波導顯示器包含源組件、輸出波導以及控制器。輸出波導包含輸入區域，以及輸出區域，且輸入區域位於目標位置。輸出波導於輸入區域接收掃描影像光、例如藉由光瞳複製(pupil replication)於至少一個維度來擴展掃描影像光，並從輸出區域輸出擴展影像光。控制器控制光源及掃描鏡組件。舉例來說，控制器可指示光源以時間為函數改變各個SLED的亮度，且/或掃描位置以確保擴展影像光具有均勻的亮度值。
圖1為根據一或多個實施例之SLED陣列100的等角視圖。SLED陣列100包含位於單一的晶片110上的多個SLED。SLED為基於超發光(superluminescence)的一邊緣發出半導體光源(edge emitting semiconductor light source)。值得注意的是，雖然圖1中於SLED陣列100呈現五個SLED，但於其他實施例中，SLED陣列中也可有不同數量的SLED。
SLED各包含脊波導(ridge waveguide)(例如脊波導120)。此脊波導限制由主動區域所發出的光之光模，而使所限制的光模於第一維度傳播。脊波導結構為圓形或長方形的波導，且具有一或多個縱向內部脊(longitudinal internal ridge)。這些縱向內部脊提供較強的光學限制，且此係因為其所具有之材料的折射率低於圍繞脊波導的三個側之脊部之折射率(例如空氣)。與雷射二極體不同的是，SLED係被設計成避免光於脊波導中來回循環。此使光保持時間上不同調(temporally incoherent)。因此，自SLED陣列100發出的光130為空間上同調(spatially coherent)(例如當光130導引至輸出波導時具有小於2弧分的發散角度)，且為時間上不同調(例如對於源件發射可見譜帶中的光，同調長度介於20至200微米)。此光源的發光特性之額外細節可參考申請號為15/650,612的美國專利。
SLED陣列100所發出的光130通常為單一色彩通道。然而，於某些實施例中，SLED陣列100可包含於不同色彩通道發光的多個SLED。舉例來說，SLED陣列可包含發出可見譜帶的不同部份(例如紅色、綠色、藍色)、可見譜帶以及紅外光譜帶等之多個SLED。
於未繪示的實施例中，SLED陣列100可具有扇出型裝置結構(fan-out device structure)。扇出型裝置結構能降低SLED陣列100中各個SLED之間的像素串擾(pixel cross talk)，但保持像素間距(pixel pitch)為恆定值。扇出型裝置結構用以增加SLED之間的分離(separation)，而使來自第一SLED的影像光不會被導引至來自相鄰SLED的影像光中。扇出型裝置結構可基於非透射材料(non-transmissive material)的分離、用於各個SLED的另外之波導/纖維(fiber)，或上述之部份結合。扇出型裝置結構額外的細節呈現並描述於申請號為15/896,392的美國專利。
圖2A為根據一或多個實施例之近眼顯示器(NED)200的圖式。NED 200呈現媒體給使用者。由NED 200呈現的媒體例如包含一或多個影像、影片、音訊或一些上述之結合。於某些實施例中，音訊透過外部裝置呈現。外部裝置例如為揚聲器(speakers)及/或耳機(headphones)；且外部裝置自NED 200、主機(未繪示)或上述兩者接收音源資訊，並根據音源資訊呈現音源資料。NED 200一般是用來於人工實境系統中操作。於某些實施例中， NED 200可用電腦合成元素(例如影像、影片、聲音等等)來擴充實體的、真實世界的環境之景象。
圖2A中所繪示的NED 200包含一框架205以及一顯示器210。框架205包含一起顯示媒體給使用者的一或多個光學元件。顯示器210用於讓使用者看到NED 200所呈現的內容。如以下參照圖3的說明，顯示器210包含至少一源組件，以產生影像光來呈現媒體給使用者的眼睛。源組件例如包含源元件陣列。源元件陣列包含設置於單一的晶片上之至少一SLED陣列。於某些實施例中，NED也可指頭戴式顯示器(Head-Mounted-Display，HMD)。
圖2B為根據一或多個實施例之圖2A中所繪示的NED 200的剖面示意圖220。剖面示意圖220中包含至少一波導顯示器230以及一眼動範圍(eyebox)240。眼動範圍240為使用者穿戴NED 200時眼睛250所位在的位置。於某些實施例中，框架205可代表眼鏡的框架。為了說明方便，圖2B呈現關於單一眼睛250及單一波導顯示器230的剖面示意圖220，但在未繪示的替代實施例中，分離於繪示在圖2B中的波導顯示器230之另一個波導顯示器可提供影像光到使用者的另一個眼睛。
如以下於圖2B中的說明，波導顯示器230用於導引影像光通過眼動範圍240到眼睛250。波導顯示器230可由具有一或多個折射率之一或多個材料組成(例如塑膠、玻璃等等)，且此材料有效地最小化NED 200的重量，並增廣NED 200的視野(field of view)(以下簡稱FOV)。於替代的態樣中，NED 200在波導顯示器230及眼睛250之間包含一或多個光學元件。這些波導元件例如可校正發自波導顯示器230的光之偏差(aberration)、放大發自波導顯示器230的光、對發自波導顯示器230的影像光進行某些其他光學調整，或一些上述之結合。光學元件例如可包含光圈、菲涅耳透鏡(Fresnel lens)、凸透鏡、凹透鏡、過濾器或任何其他適於影響影像光的光學元件。
波導顯示器230包含源組件以產生影像光來呈現媒體給使用者的眼睛。源組件包含位於單一的晶片上之至少一SLED陣列。源組件將參照圖3至圖6於以下詳細說明。
於某些實施例中，波導顯示器230包含追蹤使用者眼睛250之凝視位置的眼睛追蹤器(未繪示)。眼睛追蹤器決定用於使用者的眼睛250之眼睛追蹤資訊。眼睛追蹤資訊可包含使用者的眼睛250於眼動範圍240中的位置及方位(orientation)。於某些實施例中，源組件中的SLED陣列可發出照射眼睛250的紅外光結構光圖案。眼睛追蹤器的一或多個相機便捕捉被照射的眼睛250之影像，並使用所捕捉的影像來決定眼睛追蹤資訊。波導顯示器230例如可於視網膜中央凹渲染(foveated rendering)及/或緩解輻輳調節衝突(vergence accommodation conflict)中使用此眼睛追蹤資訊。
圖3為根據一或多個實施例之波導顯示器300的等角視圖。於某些實施例中，波導顯示器230為波導顯示器300的一個實施例。波導顯示器300可為NED 200、某些其他NED或是導引顯示影像光至特定位置的其他系統之一部份。
波導顯示器300包含一源組件310、一輸出波導320及一控制器330。為了方便說明，圖3呈現關於單一的眼睛250之波導顯示器300，但於某些實施例中，分離於(或部份分離於)波導顯示器300的另一個波導顯示器可提供影像光到使用者的另一個眼睛。於部份分離的系統中，一或多個元件可共用於多個波導顯示器之間而用於各個眼睛。
源組件310產生影像光。源組件310包含一源元件陣列340及一光學系統345(例如參照圖4於以下更進一步描述)。源元件陣列340為一種光學元件，且使用置於一或多個SLED陣列的多個SLED來產生影像光。源元件陣列340中的各個SLED陣列(例如相似於圖1中所示之內容)位於單一的相應晶片，亦即單晶的(monolithic)。源元件陣列340於一或多個色彩通道中產生影像光(例如紅色、藍色、綠色、紅外光等等)。源元件陣列340將於以下參照圖4更進一步地描述。
光學系統345於源元件陣列340所產生的影像光執行一系列的光學處理。這些光學處理包含，但不限於聚焦(focusing)、結合(combining)、調節(conditioning)及掃描處理。於某些實施例中(未繪示)，如以下參照圖4詳細地描述，光學系統345包含結合組件、光調節組件及掃描鏡組件。源組件310產生並輸出影像光355到輸出波導320的耦合元件(coupling element)350。
輸出波導320為輸出影像光到使用者的眼睛250之光學波導。輸出波導320於一或多個耦合元件350接收影像光355，並導引所接收的輸入影像光至一或多個解耦元件(decoupling elements)360。於某些實施例中，耦合元件350從源組件310導引影像光355進入輸出波導320。耦合元件350例如可為繞射光柵(diffraction grating)、全息光柵(holographic grating)、導引影像光355進入輸出波導320的某些其他元件，或是上述之部份結合。舉例來說，在耦合元件350為繞射光柵的實施例中，繞射光柵的間距係以讓全反射發生，並使影像光355內部地朝解耦元件360傳播的原則做選擇。舉例來說，繞射光柵的間距可介於300奈米至600奈米。
輸出波導320於一或多個維度中擴展自光學系統所接收的光。於某些實施例中，影像光線的擴展是由在一或多個維度中源組件310之光瞳的複製所造成。於某些其他的實施例中，所複製的光瞳可彼此重疊。於各種實施例中，輸出波導320可於不正交的一或多個維度中擴展光線。於再其他實施例中，輸出波導320可於二或更多的維度(例如x軸及y軸)中擴展所接收的光。所複製的光瞳可充滿某些或全部的眼動範圍(例如眼動範圍250)。舉例來說，所複製的光瞳之直徑介於10奈米至40奈米，並使眼睛(例如眼睛250)能更容易位於眼動範圍中。
解耦元件360解耦來自輸出波導320的擴展影像光。解耦元件360例如可為繞射光柵、全息光柵、從輸出波導320解耦影像光的某些其他元件，或上述之部份結合。舉例來說，在解耦元件360為繞射光柵的實施例中，繞射光柵的間距是以造成入射影像光離開輸出波導320的原則來做選擇。舉例來說，繞射光柵的間距可介於300奈米至600奈米。從輸出波導320所發出的影像光之方位及位置係藉由改變進入耦合元件350的影像光355之方位及位置來控制。
輸出波導320可由有利於影像光355之全反射的一或多個材料所組成。輸出波導320例如可由矽、塑膠、玻璃、聚合物或上述之部份結合所組成。輸出波導320具有相對較小的形成因子(form factor)。舉例來說，輸出波導320可於x維度具有大約50毫米的寬度、於y維度具有大約30毫米的長度，並於z維度具有大約0.5至1毫米的厚度。
控制器330控制源組件310的掃描作業。控制器330根據至少一或多個顯示指示，來決定用於源組件310的掃描指示。顯示指示為呈現(render)一或多個影像的指示。於某些實施例中，顯示指示可僅為影像檔案(例如點陣圖)。顯示指示例如可從人工實境系統(未繪示於此)之主機接收。掃描指示為源組件310用來產生影像光355的指示。掃描指示例如可包含色彩通道、掃描速率、掃描鏡組件的方位、一或多個照明參數(於以下參照圖4說明)，或上述之部份結合。控制器330包含未繪示於此的硬體、軟體及/或韌體之結合，而不混淆本發明的其他方面。
值得注意的是，掃描路徑能包含由關於一或多個SLED陣列的掃描鏡組件之振盪(oscillation)所造成的條帶效應(banding)。如以下參照圖7詳細地說明，控制器可指示源元件陣列340以時間為函數來改變各個SLED的亮度，且/或掃描位置以確保擴展影像光具有均勻的亮度值。
圖4繪示根據一或多個實施例之源組件310的方塊圖。源組件310包含一源元件陣列410及一光學系統420。源元件陣列340為源元件陣列410的一個實施例。光學系統345為光學系統420的一個實施例。
源組件310根據來自控制器330的掃描指示來產生光。源組件310包含一源元件陣列410以及一光學系統420。源元件陣列410為產生影像光的光源，且其所產生的影像光於空間上同調或空間上部份同調，並於時間上不同調。源元件陣列410發射可見譜帶中的光(例如從大約390奈米至700奈米)，且其可發出連續或脈衝型的光。於某些實施例中，源元件陣列410可為具有廣發射光譜的密集脊波導之SLED陣列。源元件陣列410根據從控制器330接收的一或多個照明參數來發光。照明參數係源元件陣列410用來產生光的指示。照明參數例如可包含波長、脈衝率(pulse rate)、脈衝振幅(pulse amplitude)、光束類型(連續或脈衝型的)、影響所發出的光之其他參數，或上述之部份結合。
源元件陣列410包含各位於不同晶片上的一或多個SLED陣列(例如SLED陣列100)。於某些實施例中，SLED陣列各包含多個SLED，且這些SLED於一維線性列(one dimensional linear row)中排列。SLED陣列的各個SLED發出空間上同調且時間上不同調的光。
於某些實施例中，一或多個SLED陣列中的各個SLED陣列產生不同色彩通道的光。舉例來說，位在第一晶片上的第一SLED陣列產生第一色彩通道的光(例如紅光)、位在第二晶片上的第二SLED陣列產生第二色彩通道的光(例如綠光)，且位在第三晶片上的第三SLED陣列產生第三色彩通道的光(例如藍光)。於其他實施例中，一或多個SLED陣列中的各個SLED陣列產生相同色彩通道的光。於某些實施例中，一或多個SLED陣列中的其中一個SLED陣列發射用於眼睛追蹤的譜帶中的光(例如紅外光)。
於某些實施例中，一或多個SLED陣列中的SLED陣列可包含有關於不同色彩通道的多個SLED。舉例來說，SLED陣列可於相同的晶片上包含發出第一色彩通道的光之SLED以及發出第二色彩通道的光之SLED。
於某些實施例中，源元件陣列410為SLED的一維線性陣列，其中各個SLED對應於最終顯示給使用者的影像中所相應的列。如以上參照圖1所述，各個SLED包含脊波導。於一實施例中，源元件陣列410於各個脊波導之間包含恆定的間距。於其他實施例中，SLED陣列可於至少某些脊波導之間包含不同的間距。
光學系統420包含調節來自源元件陣列410的光之一或多個光學元件。調節來自源元件陣列410的光例如可包含根據來自控制器330的指示擴展、準直(collimating)、調整方位；也可包含某些其他光的調整或某些上述之結合。一或多個光學元件例如可包含透鏡、鏡子、光圈、光柵或某些上述之結合。發自光學系統420(以及源組件310)的光係指掃描影像光430。光學系統420朝輸出波導320以特定方位輸出掃描影像光430(根據掃描指示)。
在繪示於圖4中的實施例中，光學系統420包含一結合組件440、一光調節組件450以及一掃描鏡組件460。結合組件440將源元件陣列410所輸出的來源光470結合成為結合光480。來源光470可包含來自多個SLED陣列之一或多個色彩通道的光。於本實施例中，來源光470係在不同位置使用不同SLED陣列所產生；結合組件440會結合各種光束，且這些光束將來源光470組成單一光束的結合光480。結合組件440將於以下參照圖6以一示例來詳細說明。值得注意的是，可使用其他的結構來達成相同的功能。結合組件440將結合光480傳送至光調節組件450。於替代的實施例中，光學系統420不包含結合組件440。舉例來說，源元件陣列410可包含單一的SLED陣列，且來源光470相同於結合光480。
於某些態樣中，源組件310包含色彩轉換器(未繪示)，此色彩轉換器耦合於源元件陣列410而將全彩(full-colored)影像光提供至光調節組件450。色彩轉換器係將特定波長譜帶的光轉換成不同波長譜帶的裝置(也就是從一個色彩通道到另一個色彩通道)。色彩轉換器可包含摻雜纖維(doped fiber)、磷(phosphor)、奈米磷(nanophosphor)、膠體(colloidal)以及外延量子點(epitaxial quantum dot)。舉例來說，色彩轉換器可包含綠色轉換器，且綠色轉換器將特定波長範圍的影像光(例如藍色影像光)轉換成綠色影像光。
光調節組件450調節結合光480並發出調節光490至掃描鏡組件460。調節光490為用於入射在掃描鏡組件460而被調節的光。光調節組件450包含調節來自源元件陣列410的光之一或多個光學元件。調節來自源元件陣列410的光例如可包含擴展、準值、為一或多個光學誤差校正(例如像場彎曲、色彩偏差等等)；也可包含某些其他光的調整，或是某些上述之結合。光調節組件450調節來源光470，並將調節光490發至掃描鏡組件460。
掃描鏡組件460包含一或多個光學元件，且一或多個光學元件透過掃描鏡組件460的一或多個反射部再次導引影像光。影像光再次導引至的地方係基於一或多個反射部的特定位向。一或多個光學元件包含至少一掃描MEMS鏡。於某些實施例中，掃描鏡組件460包含用於在至少兩個維度掃描之單一的掃描MEMS鏡。於其他實施例中，掃描鏡組件460可包含各於相互正交的方向掃描之多個掃描MEMS鏡。掃描鏡組件460可執行點線掃描(raster scan)(水平地或垂直地)、雙線掃描(biresonant scan)或某些之部份結合。於某些實施例中，掃描鏡組件460可以特定頻率的振盪來沿水平及/或垂直方向執行受控制振動，藉以沿兩個維度掃描，並產生呈現給使用者眼睛之媒體的二維投射線影像(two-dimensional projected line image)。掃描鏡組件460基於調節光490發出掃描影像光430。影像光355為掃描影像光430的一實施例。於某些實施例中，如以上參照圖3所述，掃描影像光430導引至輸出波導(例如輸出波導320)。
於一示例中，源組件310執行來源光470的時間調變(temporal modulation)而發出時間調變影像光，且掃描鏡組件460根據掃描影像光430的目標幀率，來執行時間調變影像光的掃描。時間調變係使源組件310的各個光源與掃描鏡組件460同步地重複掃描影像光430的投射，進而藉由在源組件310的各個色彩通道中之SLED的數量來有效地增加掃描影像光430的更新率(refresh rate)。
掃描鏡組件460根據源元件陣列410所輸出的來源光470，來執行像素位置的陣列轉換(array translation)而達到所嚮往的幀率。舉例來說，掃描鏡組件460根據來自源元件陣列410之假定數量的多個像素位置所期望的亮度位準(level)，來從第一時刻至第二時刻以一個像素位置移動。於另一示例中，掃描鏡組件460用一延遲時間來執行紅綠藍(RGB)像素的疊覆(overlaying)以導引全彩影像光，其中此延遲時間短於人眼的反應時間。於某些態樣中，掃描鏡組件460包含至少一個二維MEMS鏡，且二維MEMS鏡用較低的頻率執行調節光490的掃描。在一般不執行陣列轉換的掃描鏡組件中，所需的頻率可高達50千赫茲(kHz)至100 kHz。相對來說，掃描鏡組件460使用基於源元件陣列410中的SLED之數量的頻率來執行掃描。舉例來說，當源元件陣列410包含發出紅色影像光的三個SLED陣列，掃描鏡組件460的頻率便低於20 kHz。於另一示例中，掃描鏡組件460包含用20 kHz之頻率執行掃描的二維MEMS鏡。藉由在同一時間掃描多個來源，源組件310所具有的幀率能大幅超過習知的單一源掃描系統的幀率。舉例來說，習知的系統一般可具有約為35幀每秒(frames per second，fps)之幀率，而源組件310能具有70 fps或更高的幀率(例如200 fps)。
控制器330控制源元件陣列410及掃描鏡組件460。控制器330採用(take)用於顯示的內容，並將內容分割成多個離散部份。控制器330指示源元件陣列410使用各個SLED(或SLED陣列)依序地呈現這些離散部份，且各個SLED(或SLED陣列)對應於最終呈現給使用者的影像中之相應的列。控制器330指示掃描鏡組件460將所呈現的離散部份掃描至輸出波導320的耦合元件之不同區域。因此，在輸出波導320的眼動範圍中，各個離散部份呈現於不同的位置。當各個離散部份於不同的時間呈現時，離散部份的呈現及掃描快到足以使人眼將不同的部份結合成單一的影像或一系列的影像。控制器330也可提供掃描指示給源元件陣列410，且源元件陣列410包含的位址(address)對應於源元件陣列410的各個SLED及/或施加於各個SLED的電性偏差(electrical bias)。
掃描影像光430能包含部份由光學元件之振盪所造成的條帶效應，且光學元件於掃描鏡組件460中再次導引光。如以下參照圖7之詳細描述，控制器330可指示源元件陣列410以時間為函數改變各個SLED的亮度且/或掃描位置而確保掃描影像光430具有均勻的亮度值。
圖5繪示根據一或多個實施例之SLED陣列500之側視圖。於所繪示的示例中，SLED陣列500包含水平排列於一半導體基板510(也可稱為基板510)上的五個脊波導，且半導體基板510包含單一的晶片。圖5中的SLED陣列500為以上參照圖1說明之SLED陣列100的一實施例。於圖5中，各個脊波導的頂部耦合於一頂電極530，而各個脊波導的底部耦合於基板510。如圖5所示，基板510耦合於共用的(common)底電極520。頂電極530及底電極520皆例如透過一或多個焊線(wire bond)電性耦合於控制器。
於各種實施例中，控制器(例如控制器330)用於個別地處理(address)有關於SLED陣列500之五個脊波導中的每一個。舉例來說，施加電流至頂電極530會使頂電極530及底電極520之間形成電場。於先前的示例中，電場的形成便使一主動區域540中產生電流，進而調變耦合至頂電極530的脊波導550所發出的光之亮度。於各種實施例中，所施加的電流之量值有關於脊波導的亮度之改變。值得注意的是，雖然圖5中繪示有五個脊波導，但於其他實施例中，SLED陣列500可包含某些其他數量(更多或更少)的脊波導。
圖6繪示根據一或多個實施例之結合組件600。結合組件600為圖4中的結合組件440之一實施例。結合組件600包含一鏡子610及一鏡子620。鏡子610及鏡子620為分光鏡(dichroic mirror)。鏡子610及鏡子620各具有各自的透射通帶(passband)及反射通帶。透射通帶為波長的譜帶，且鏡子610及鏡子620於透射通帶中會透射入射光。反射通帶為波長的譜帶，且鏡子610及鏡子620會於反射通帶中反射入射光。鏡子610具有包含SLED陣列630所發出的光之透射通帶，且具有包含SLED陣列640所發出的光之反射通帶。相對而言，鏡子620具有包含SLED陣列630及SLED陣列640所發出的光之透射通帶，且具有包含SLED陣列650所發出的光之反射通帶。來自SLED陣列630的光由鏡子610透射。來自SLED陣列640的光由鏡子610反射而使其產生部份結合光660。部份結合光660由鏡子620透射。來自SLED陣列650的光由鏡子620反射而使其與部份結合光660結合而形成結合光670。雖然圖6會是包含兩個鏡子及三個不同SLED陣列的示例，但於其他實施例中，有更多及/或更少的鏡子及/或SLED陣列可以類似的方式結合而形成結合光670。
圖7繪示根據一或多個實施例之用於單一SLED陣列(例如SLED陣列100)的簡單掃描路徑700的一部份。各個虛線代表來自不同SLED的光，且SLED為SLED陣列的一部份。此掃描路徑包含由相關於SLED陣列的掃描鏡組件之振盪所造成的條帶效應。舉例來說，掃描鏡組件的線密度(line density)及掃描器速度(scanner velocity)以水平場角度(horizontal field angle)為函數做改變。當各個SLED所追蹤(traced)的線被掃描出，這些線能交叉(cross)造成多個高線密度區域(例如區域710)以及多個低線密度區域(例如區域720)。低線密度區域包含最小線密度，且高線密度區域包含最大線密度。於各種實施例中，最小線密度一般為最大線密度的一半。舉例來說，高線密度之區域可具有20至80線每度(lines per degree)的線密度。線密度缺乏均勻度的此現象便能稱為影像光中的條帶效應(即低線密度區域與高線密度區域具有不同的亮度)。
於一實施例中，控制器(例如控制器330)調整施加於各個SLED的控制訊號(例如電流或電壓)，而減緩自掃描鏡組件輸出的光中的條帶效應，且各個SLED有關於SLED陣列。為了使所感知的亮度相等，控制器能調整一或多個SLED所發出的光之亮度。控制器例如可於低線密度區域中增加一或多個SLED的亮度(例如低線密度區域720)、於高線密度區域中降低一或多個SLED的亮度(例如高線密度區域710)，或上述之部份結合，進而使低線密度區域的相對亮度(relative brightness)及高線密度區域的相對亮度相同(或介於彼此的臨界值之中)。
額外的態樣資訊
以上關於本發明各個實施例之敘述係用於說明；其非旨在為透側的或限制本發明於所揭露的精準形式。熟悉本技藝者能意識基於上述揭露能有許多修改與變化。
部份敘述就演算法及訊息操作的象徵性代表而言描述本發明的實施例。這些演算法式的敘述及代表為熟悉資料處理之技藝者所經常使用，藉以有效地傳達他們的作品之本質給其他熟悉此技藝者。這些操作，當功能性、計算性或邏輯性地描述時，可以理解為電腦程式或相等的電性電路、微編碼等所實施。此外，也好幾次被證明用模組代表這些設置是方便的，且並不會喪失概要。所敘述的操作及它們相關的模組可於軟體、硬體、韌體或任何上述之結合中實施。
所述之步驟、操作或製程可由一或多個硬體或軟體模組單獨實施或執行，或是與其他裝置一起實施或執行。於一實施例中，軟體模組與電腦程式產品一起實施，且電腦程式產品包含電腦可讀媒體。電腦可讀媒體包含電腦程式碼，且電腦程式碼能由電腦處理器執行以執行所述之任何或所有步驟、操作及製程。
本發明的各個實施例也可有關於用來執行所述的操作之設備。該設備可為了所需要的目的而具有特別的態樣；及/或該設備可包含一般用途計算裝置；且該計算裝置選擇性地由儲存在電腦中的電腦程式啟用或重組。如此的電腦程式可儲存於非暫存性(non-transitory)且為有形的(tangible)電腦可讀取儲存媒體，或是任何適於儲存電子指示的媒體之類型，且其可耦接於電腦系統匯流排(bus)。此外，任何於說明書中所提及之計算系統可包含單一的處理器，或是可為執行多個處理器設計的架構以增加計算能力(computing capability)。
本發明的各個實施例也可有關於所述的計算處理所製造的產品。如此的產品可包含由計算處理所導致的資訊；且資訊儲存於非暫存且有行的電腦可讀儲存媒體；並可包含電腦程式產品的任何實施例或其他所述的資料結合。
最後，說明書中使用的用語以可閱讀及說明性的原則所挑選，且可不為用來選擇而描繪或限制發明主旨。因此本發明的範圍並不是由詳細描述所限制，而是由任何基於本申請的請求項。故本發明的實施例僅用於說明而非用於限制本發明的範圍，且本發明的範圍闡述於以下的各個請求項中。
100:SLED陣列 110:晶片 120:脊波導 130:光 200:近眼顯示器、NED 205:框架 210:顯示器 220:剖面示意圖 230:波導顯示器 240:眼動範圍 250:眼睛 300:波導顯示器 310:源組件 320:輸出波導 330:控制器 340:源元件陣列 345:光學系統 350:耦合元件 355:影像光 360:解耦元件 410:源元件陣列 420:光學系統 430:掃描影像光 440:結合組件 450:光調節組件 460:掃描鏡組件 470:來源光 480:結合光 490:調節光 500:SLED陣列 510:半導體基板、基板 520:底電極 530:頂電極 540:主動區域 550:脊波導 600:結合組件 610、620:鏡子 630、640、650:SLED陣列 660:部份結合光 670:結合光 700:掃描路徑 710、720:區域
[圖1]為根據一或多個實施例之SLED陣列的等角視圖。 [圖2A]為根據一或多個實施例之近眼顯示器(NED)的圖式。 [圖2B]為根據一或多個實施例之圖2A中所繪示的NED之眼鏡的剖面示意圖。 [圖3]為根據一或多個實施例之波導顯示器的等角視圖。 [圖4]繪示根據一或多個實施例之源組件的方塊圖。 [圖5]繪示根據一或多個實施例之SLED陣列之側視圖。 [圖6]繪示根據一或多個實施例之結合組件。 [圖7]繪示根據一或多個實施例之用於單一色彩的簡單掃描路徑。 圖式僅用於說明本發明。熟悉本技藝者可在不偏離本發明之原則或優點下由以下的敘述了解到不同結構及方法的實施例可被執行。額外的細節附加於附錄中。
100:SLED陣列
110:晶片
120:脊波導
130:光

Claims (18)

  1. 一種源元件陣列，包含： 多個超輻射發光二極體(superluminous light emitting diode，SLED)的一第一SLED陣列，該第一SLED陣列排列於單一的一晶片上，且該SLED陣列用於在一第一光學譜帶發射光；以及 多個SLED的一第二SLED陣列，該第二SLED陣列排列於單一的一晶片上，且該SLED陣列用於在一第二光學譜帶發射光， 其中自該第一SLED所發射的光和自該第二SLED所發射的光結合成經結合光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該第一SLED陣列中的SLED以一維線性陣列排列。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之源元件陣列，其中該第一SLED陣列中相鄰的SLED之間至少保持30微米的一間距。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之源元件陣列，其中該第一SLED陣列中的各個SLED包含一相應脊波導結構，該相應脊波導結構限制由一主動區域所發出的光之一光模，而使所限制的該光模於一第一維度傳播。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中一控制器用於調整應用於該第一SLED陣列中的SLED的控制訊號以及應用於該第二SLED陣列中的SLED的控制訊號，以減緩由於掃描該經結合光所引起的條帶效應。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該第一光學譜帶不同於該第二光學譜帶。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該第一SLED陣列位於與該第二SLED陣列相同的晶片上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該第一SLED陣列位於與該第二SLED陣列不同的一晶片上。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該源元件陣列為一波導顯示器的一部份。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之源元件陣列，其中該第一光學譜帶在紅外光。
  11. 一種波導顯示器，包含： 多個超輻射發光二極體(superluminous light emitting diode，SLED)的一第一SLED陣列，該第一SLED陣列排列於單一的一晶片上，且用於在一第一光學譜帶發射光； 多個SLED的一第二SLED陣列，該第二SLED陣列排列於單一的一晶片上，且該SLED陣列用於在一第二光學譜帶發射光，其中自該第一SLED所發射的光和自該第二SLED所發射的光結合成經結合光；以及 一輸出波導，用於導引影像光到該波導顯示器的一眼動範圍(eyebox)， 其中該影像光使用該經結合光的至少一些來形成。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之波導顯示器，其中該第一SLED陣列中的SLED於一個維度排列。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之波導顯示器，其中該SLED陣列中的各個SLED包含一相應脊波導結構，該相應脊波導結構限制由一主動區域所發出的光之一光模，而使所限制的該光模於一第一維度傳播。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之波導顯示器，更包含： 一控制器，用於調整應用於該第一SLED陣列中的SLED的控制訊號以及應用於該第二SLED陣列中的SLED的控制訊號，以減緩由於掃描該經結合光所引起的條帶效應。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之波導顯示器，更包含： 一結合組件，用於結合該第一光學譜帶中的該光及該第二光學譜帶中的該光，以形成該經結合光。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之波導顯示器，其中該第一光學譜帶不同於該第二光學譜帶。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之波導顯示器，其中該第一光學譜帶在紅外光，並且在該第一光學譜帶的光用於眼睛追蹤，而在該第二光學譜帶的光用於產生該影像光。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之波導顯示器，其中該第一SLED陣列位於與該第二SLED陣列相同的晶片上。
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