CN109073939A - 提供增强的观看体验的近眼图像显示设备 - Google Patents

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埃德姆·乌卢索伊
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Abstract

本发明一般涉及一种具有改进的观看质量的近眼显示设备。本发明更具体地涉及一种图像显示设备(35)，其包括至少一个点光源(23)和以空间光调制器(11)形式的至少一个微显示设备，所述空间光调制器(11)被定位成由所述至少一个点光源(23)照射，所述至少一个微显示设备具有以二维阵列排列的像素(12)，其中每个像素(12)由基本上平面的像素电极(13)表示。

Description

提供增强的观看体验的近眼图像显示设备
技术领域
本发明总体上涉及一种具有改进的观看质量的近眼显示设备。
背景技术
头戴式显示器(HWD)通常包括微型显示器，在该微型显示器上显示二维(2D)规则图像。一些模糊图像在视网膜上形成，除非其间由于微显示器和眼睛之间的物理距离而布置了中继光学器件，该物理距离通常远小于25cm(人眼通常可以聚焦在的最近距离)。中继光学器件通常由若干透镜组成，这些透镜用于在25cm之外(大部分在无限远处)形成微显示器的放大虚像，然后眼睛可以聚焦在其上并形成清晰的视网膜图像。
包含微显示器(例如仅使用单个放大镜镜头的那些)的轻量级HWD设计主要限于具有小视场(FOV)的***，因为由于***以补偿像差的额外的组件而导致大FOV设计的重量和体积增加。
作为示例，最近出现的具有非常薄的形状因子的HWD设备基本上由小的(～1cm对角线)微显示器和简单的正透镜组成，但具有有限的FOV，超过该FOV，像差变得严重。另一方面，高端军用型显示器可以支持接近150度或更高的FOV，但重量可达5千克或更多，并且可能包含超过10个不同的透镜，其大多数都是被呈现来用于补偿由于扩大的FOV而出现的像差。拥有如此多的透镜不仅仅是一个技术问题，而且是一个必不可少的问题，因为没有单一的光学元件可以被设计为形成大尺寸微显示器的无像差图像，因为从微显示器出现的信息当它传播时迅速在空间中扩展的事实。
基于微显示器的HWD设计也无法提供最终的三维(3D)视觉体验。这些HWD设计通常仅提供立体图像，其基本上仅通过双目视差来调用3D感知。单眼线索，尤其是调节(accommodation)，通常不受支持或不正确。立体***的用户通常遭受由所谓的调节-会聚冲突引起的视觉疲劳，其中，眼睛真正地会聚到3D对象的明显位置，同时调节被不正确地设置到屏幕上以使视网膜图像清晰。当虚拟物体比50厘米更靠近时，疲劳特别严重。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种图像显示设备，包括至少一个点光源和以空间光调制器(spatial light modulator)形式的至少一个微显示设备，所述空间光调制器被定位成由所述至少一个点光源照射，所述至少一个微显示设备具有以二维阵列排列的像素，其中每个像素由基本上平面的像素电极表示。
本发明提供一种克服上述不便之处的图像显示设备，其在权利要求1的特征部分中被限定。
附图说明
附图仅出于举例说明微显示设备的目的而给出，该微显示设备相对于现有技术的优点在上面概述，并且将在下文中简要解释。
附图并不意味着界定在权利要求中所识别的保护范围，也不应在不借助于本发明的描述中的技术公开的情况下单独提及它们以试图解释所述权利要求中所识别的范围。
图1展示了根据本发明的在硅上液晶(LCoS)装置中具有反射区的图像显示设备像素的顶视图。
图2a至2e展示了根据本发明的沿图1中的线A-A'截取的如图1所示的配置的横截面图。图2中仅包括基板和电极。图2a展示了作为反射区的光学活性区。图2b展示了由倾斜微镜覆盖的光学活性区。图2c展示了由微透镜覆盖的光学活性区。图2d展示了具有衍射光栅的光学活性区。图2e展示了具有变化周期衍射光栅的光学活性区。
图3a展示了根据本发明的具有基于LCoS配置的反射空间光调制器的微显示器的侧视图。
图3b展示了具有微透镜的配置，微透镜设置在相对于光学活性区的间隔开的位置，使得它们扩展数值孔径。在图中，用R表示透镜的曲率半径，并且用t表示微透镜阵列相对于像素电极的位置。图3c展示了透镜阵列嵌入顶盖中以提供用于液晶界面的平坦表面的配置。图3d展示了透镜阵列嵌入顶盖中以提供用于液晶界面的平坦表面的配置。
图4展示了根据本发明的具有滤色器的图像显示设备像素的顶视图。
图5a至图5d展示了根据本发明的各种像素电极几何形状。图5e展示了图5d的配置的横截面图。图5f展示了根据本发明的拜耳码(Bayer code)配置的顶视图。
图6a至图6c展示了根据本发明的不同实施例的透明和非透明基板上的像素的不同配置。图6a展示了非透明基板(LCoS)上的反射区，图6b展示了透明基板上的透射区，并且图6c展示了透明基板上的光学活性区(optically active zone)的反射涂层。
图6d至6f分别展示了反射或透射区和反射涂层。图6d的反射或透射区可以具有透明或不透明的基板，并且图6d的实施例可以具有透明或不透明的基板，并且图6e的实施例具有透明像素电极，在透明像素电极上设置至少一个反射涂层。两个图都描绘了在单个像素电极上的多个光学活性区，所述区具有不同的尺寸。图6f是非透明基板上的反射区的另一个例子，其中每个像素有两个滤色器。
图7a至7i展示了根据本发明的具有滤色器的透明或不透明基板上的微显示器的制造过程。像素电极可以对非透明基板是反射的或对透明基板是透射的。
图8a展示了具有根据本发明的透射空间光调制器的微显示器的侧视图。图8b展示了根据本发明的具有透射区的图像显示设备像素的顶视图。
图9a至9f展示了根据本发明的在透明基板上具有带滤色器的反射涂层的微显示器的制造过程。
图10展示了头戴式图像显示设备的光学架构。
图11展示了由于其像素化结构而由空间光调制器产生的较高衍射副本(copies)。
图12a展示了分别在清楚眼眶和污染眼眶的情况下由空间光调制器产生的较高衍射副本。图12b展示了没有重影伪影(ghost artifact)的清晰视网膜图像形成的条件。
图13a和13b展示了作为空间光调制器像素节距(pitch)的函数的最小出瞳距离和视场的图。
图14a和14b展示了在串扰方面具有不同像素节距和反射或透射区尺寸的配置的效果。
图15展示了根据本发明的具有空间光调制器和点光源的光学架构。
图16a和16b以及16c和16d展示了在通过眼眶从每个像素接收的功率方面具有不同像素节距和反射或透射区尺寸的配置。
图17展示了当在液晶层前面存在微透镜阵列以改善数值孔径时的光学配置。
具体实施方式
在本发明的详细描述中引用了以下标号：
11)空间光调制器
12)像素
13)像素电极
14)吸收层
15)反射区
16)基板
17)液晶层
18)玻璃盖
19)顶部电极
20)第一取向层(first alignment layer)
21)第二取向层
22)彩色像素
23)点光源
24)透射区
25)反射涂层
26)列电极(Column electrode)
27)行电极(Row electrode)
28)开关晶体管
29)倾斜微镜(Tilted micro-mirror)
30)微透镜阵列
31)衍射光栅
32)变化周期衍射光栅
33)低折射率材料
34)高折射率材料
35)图像显示设备
本发明公开了一种微显示设备，其具有以LCoS(硅上液晶)装置形式的空间光调制器(11)(SLM)，其中，CMOS通过晶体管矩阵控制液晶(LC)层(17)，晶体管矩阵中的每个代表图像像素(12)。空间光调制器是动态可编程衍射光学元件。在不同的空间光调制器技术中，可以使基于LCoS技术的反射空间光调制器具有小得多的像素节距，因为电子器件可以埋在像素下面。
本发明还公开了SLM，其中像素形成在透射基板上。这些器件可用在反射和透射模式中。
在LCoS配置中，液晶层(17)与通过标准CMOS组装方法制造的硅芯片接触。由硅芯片独立控制像素(12)的电场。像素电极(13)用CMOS和液晶层(17)完成电路。
本发明的图像显示设备(35)是近眼显示设备，其可以包括眼镜框形状的框架。图像显示设备(35)包括基于LCoS配置的空间光调制器(11)和至少一个点光源。
在操作中，近眼图像显示设备(35)可以显示2D或3D虚拟场景的单色或全***。对于每个视频帧，空间光调制器上的数据可以是例如计算机生成的虚拟场景的全息图像。对于所显示视频的每个帧，点光源(23)产生单一波长的相干光波，其照射空间光调制器(11)，空间光调制器(11)在空间上调制入射波的相位和/或幅度并将其反射向用户的眼睛。
参考图1，本发明提出一种空间光调制器(11)作为LCoS(硅上液晶)装置形式的微显示器，包括通常以2D矩阵排列的多个像素(12)。每个像素(12)由像素电极(13)表示，而像素孔径(pixel aperture)由上吸收层(14)形成，如下面将详细描述。
本发明的空间光调制器(11)被配置成仅反射来自像素电极(13)的特定区域的光，如图1和图2所示，后者展示了沿图1中的线A-A'截取的空间光调制器(11)的横截面图，其中像素电极(13)和吸收层(14)设置在基板(16)上。由于吸收层(14)覆盖每个像素电极(13)的大体大的区域的事实，除了形成光可以从其反射的反射区(15)的剩余像素孔径之外，在液晶(LC)层(17)中可以观察到实质上较少的串扰，即，液晶层(17)中的电场可能不会在相邻像素之间产生串扰。换句话说，从形成反射区(15)的相邻像素孔径反射的光不太容易发生串扰，因为反射区(15)被配置成以相对于彼此位于某个间隔开的位置。在根据本发明的优选实施例中，像素(12)的节距为4μm×4μm，而反射区(15)尺寸为1μm×1μm。可替选地，如图2b至2e所示，光学活性区可以被倾斜微镜(29)、微透镜(30)、衍射光栅(31)或变化周期衍射光栅(32)覆盖。倾斜微镜(29)、微透镜(30)、衍射光栅(31)或变化周期衍射光栅(32)为光学活性区提供附加功能。通常，当倾斜微镜(29)执行偏转功能时，衍射光栅(31)提供优异的衍射效率。微透镜(30)能够用于放大的目的。变化周期衍射光栅(32)有效地将入射在光栅上的光的频率衍射成特定角度。
参考根据本发明的图3所示的实施例，微显示设备的LCoS实现包括***液晶层(17)的第一和第二取向层(分别为20和21)、用于保护微显示***的玻璃盖(18)、顶部电极(19)和其上设置有像素(12)的CMOS基板(16)。微显示设备空间光调制器(11)的背板是非透明CMOS晶片，其中电子器件位于像素电极(13)下方。
第一和第二取向层(20和21)保持精确定位以便适当的方式引导光的液晶层(17)。在操作中，吸收层(14)阻挡可能通过像素电极(13)之间的中间区域而不是通过形成反射区(15)的像素孔径泄漏的光。
在图3b至3d中所展示的实施例包括在相对于光学活性区的间隔开的位置中靠近液晶层(17)的玻璃盖(18)表面上的微透镜阵列(30)。这些微透镜阵列(30)有利地增加了SLM的数值孔径。如图3b所示，用R表示透镜的曲率半径，并且用t表示微透镜阵列相对于像素电极的位置。作为替代实施例，微透镜阵列(30)可以嵌入顶盖中以提供用于液晶界面的平坦表面。在图3c和3d的示例性实施例中，使用凸透镜和凹透镜。在图3c中，低折射率材料(33)层具有比玻璃盖(18)低的折射率，而在图3d中，高折射率材料(34)层具有比玻璃盖(18)高的折射率，以提供聚焦效果。
根据本发明，微显示器能够用于单色图像；也能够使用彩色顺序照明显示彩色图像和视频。参考图4，滤色器可以用在透明或不透明的基板(16)上，以通过用滤色器涂覆反射区(15)来获得彩色像素(22)。如图4所示，可以通过微小的滤色器产生诸如R、G或B像素的不同彩色像素(22)。因此，当光源是白色时，微显示器可以用于显示彩色图像。
如图5b至5f所示，带有具有相同尺寸和相似子像素电容的像素电极(13)的多个像素(12)几何形状是可能的。同样，根据如图6a至6c所示的不同实施例，在透明和非透明基板(16)上的不同像素配置是可能的。
图6a展示了下述情况：点光源(23)和用户(即，微显示设备(图像显示设备(35)的用户或佩戴者)位于空间光调制器(11)的同一侧。因此，空间光调制器(11)是基本上平面的介质，其具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧。通常，由空间光调制器(11)反射的波向用户的眼睛传播，并在出瞳平面(exit pupil plane)上形成光波分布，该出瞳平面被定义为位于用户眼睛前方的平面，并且对应于用户眼睛瞳孔的预期位置。在出瞳平面上形成的部分光波分布被用户的眼睛瞳孔截取并传播到视网膜，在视网膜中形成场景的3D图像。
点光源(23)通常将光投射到微显示设备。它可以配置为任何类型的光源，诸如例如激光源、紫外(UV)光源、红外(IR)光源或其他可见光源或不可见光源。
在图6a的光学架构中，具有带反射区(15)的像素(12)的、基于LCoS配置的空间光调制器(11)直接放置在用户眼前并且由点光源(23)照射。优选地，图像显示设备(35)适于眼镜架的形状，其中图像显示设备(35)的两个微显示器在其玻璃位置中被安装到框架，而点光源(23)被安装到远离眼镜框架的玻璃位置的框架部分。当使用非透明基板(16)并且空间光调制器(11)阻挡现实世界的视觉时，该***构成非透视显示器。
在图6b的光学架构中，点光源(23)和图像显示设备(35)的用户位于空间光调制器(11)的相对侧。在这种配置中，空间光调制器(11)是透射的，并且形成由吸收层(14)界定的透射区(24)的像素孔径与透明像素电极(13)和透明基板(16)一起允许光透射。透明像素电极(13)优选由铟锡氧化物(ITO)制成。
在图6c的光学结构中，反射区(15)不是由如图6a中的吸收层(14)界定的像素孔径产生的，而是由反射涂层(25)产生，反射涂层(25)被配置成单独占据与图6a的反射区(15)的情况中相同的表面。反射涂层(25)附接到在透明基板(16)上设置的透明像素电极(13)。点光源(23)和用户位于空间光调制器(11)的同一侧。
图6a的反射区(15)以及图6c的反射涂层(25)可以涂覆有以滤色器形式的附加层。同样，图6b的透射区(24)可以涂覆有滤色器。
在如图6b中的透射区(24)和如图6c中的反射涂层的情况下，空间光调制器(11)直接放置在眼睛前方，使得不阻挡真实世界视觉。
在图6b的情况下，空间光调制器(11)由安装在眼镜侧上的点光源(23)照射，所述眼镜侧位于在比空间光调制器(11)本身距离眼睛更远的位置处。点光源(23)可以例如安装在两个空间光调制器(11)(图像显示设备(35)的微显示器)之间的鼻梁上，并且由点光源(23)产生的光被馈送到背光单元，该背光单元从用户的相对侧照射空间光调制器(11)。该***构成了真实世界观的透视显示器。
图6b的透射空间光调制器(11)和图6c的反射空间光调制器(11)可以以空间光调制器(11)放置在使得真实世界视觉是不受其存在的影响的位置处的方式被重新配置。图6b的空间光调制器(11)可以由点光源(23)以下述方式被照射：由空间光调制器(11)透射的光通过分束器被导向眼睛。另一方面，图6c的空间光调制器(11)可以由点光源(23)以下述方式被照射：由空间光调制器(11)反射的光也被分束器导向眼睛。
参考图7，在具有滤色器的透明或不透明基板上的微显示器的制造过程可以如下所述进行。应注意，非透明基板(16)的使用对应于图6a的配置，而图6b描述透明基板(16)的使用。制造过程包括在图6a的情况下利用CMOS表面和在图6b的情况下利用玻璃表面的初始步骤。像素电极(13)在图6a的情况下是反射性的并且优选是金属，并且在图6b的情况下是透明的并且优选是铟锡氧化物(ITO)。该制造过程还包括以下步骤：用吸收层(14)(黑色树脂)涂覆在基板(16)上的像素电极(13)，图案化吸收层(14)以分别雕刻出反射或透射区(15和24；分别对应于图6a和6b配置)，用R-树脂涂覆，图案化R-树脂以覆盖相应的彩色像素(22)(R-像素)，用G-树脂涂覆，图案化G-树脂以覆盖各个彩色像素(22)(G像素)，涂覆B-树脂，图案化B-树脂以覆盖各个彩色像素(22)(B-像素)并且用取向层(第一取向层(20))涂覆所得结构(resulting structure)。
在图8a和8b中示出具有带透射区的透射空间光调制器(11)的微显示器的侧视图和顶视图。应注意，在这种配置中，在吸收层(14)下面具有更多区域以适配开关晶体管(28)的设置是特别有利的。
参考图9，可以如下所述进行具有反射涂层(25)和滤色器的透明基板(16)上的微显示器的制造过程。所述制造过程包括利用其中存在透明像素电极(13)的透明基板(16)的初始步骤。还有透明线，其将像素(12)的驱动器晶体管连接到行和列驱动器。该制造过程还包括以下步骤：用优选为金属(例如，铝)的反射层将像素电极(13)涂覆在基板(16)上，使用光刻法对反射层进行图案化以便获得预定尺寸和形状的反射涂层(25)，使用R-树脂涂覆，图案化R-树脂以覆盖各个彩色像素(22)(R-像素)，使用G-树脂涂覆，图案化G-树脂以覆盖各个彩色像素(22)(G像素)，用B-树脂涂覆并且图案化B-树脂以覆盖各个彩色像素(22)(B-像素)。
根据本发明，发现特别是在3μm×3μm至4μm×4μm的范围内的像素节距和特别是约1μm×1μm尺寸的反射区(15)、透射区(24)或反射涂层(25)有利地产生一系列技术效果，如下文所述。
众所周知，空间光调制器由于它们的像素化结构而产生较高的衍射级。这些顺序对应于要显示的虚拟场景的移位复制品，如果允许它们进入眼睛并且传播到视网膜，则它们显示为重影图像复制品。在诸如二元空间光调制器或仅振幅空间光调制器的、实质上提供实值调制的空间光调制器的情况下，将形成共轭光束(conjugate beam)。还应该防止该共轭光束进入眼睛，该共轭光束对应于由第二虚拟场景发射的波，该第二虚拟场景是相对于出瞳平面的实际虚拟场景的镜像。
众所周知，当在空间域中对信号进行采样时，其频谱在空间频率域中被周期性地复制。因此，旨在显示在空间光调制器上的理想全息图像的光谱作为采样的结果被复制，其中这些复制品被称为“较高衍射级(HDO)”。由于实际的空间光调制器的像素孔径函数是空间受限的函数(具有由衰减但非限制的尾部组成的傅里叶变换)，所以所述复制品在由空间光调制器实现的最终模拟掩模的傅立叶变换中部分地幸存，导致可观察到的较高衍射级。
图10展示了头戴式图像显示器的光学架构。在图11中，空间光调制器(11)由于其如上所述的像素化结构而产生眼眶的较高衍射副本。利用像素节距Δ，以自用户眼睛的出瞳距离D，可以对于如图11所示的作为X＝λD/Δ的小角度近似在出瞳平面上的衍射级之间的距离X，其中λ是入射在空间光调制器(11)上的光的波长。应注意在，衍射级副本之间的距离与用于空间光调制器(11)的照射波(会聚、发散或准直)的性质无关。
为了具有清晰的眼眶，在WEB被定义为显示器的眼眶(出瞳)的宽度的情况下，WEB应该小于λD/Δ。鉴于眼睛瞳孔应该小于眼眶(WEP<WEB，WEP被定义为用户的眼睛瞳孔宽度(WEP))的情况，清晰图像形成的条件可以定义为WEP<λD/Δ和Δ<λD/WEP。图12a展示了分别在透明眼眶和污染眼眶的情况下由空间光调制器(11)产生的较高衍射副本，并且图12b展示了没有重影伪影的清楚视网膜图像形成的条件。
图13a展示了作为空间光调制器(11)像素节距的函数的最小可允许出瞳距离的曲线图。对于λ＝432mm(蓝色)和WEP＝3mm(平均预期尺寸)，图13a中的曲线图示出了作为Δ的函数的最小可允许出瞳距离Dmin，使得满足Δ<λD/WEP。对于3至4μm像素节距，最小出瞳距离从20.8mm变为27.8mm。因此，期望3至4μm的像素节距，因为它们导致相对小的出瞳距离。
参考图10，由***提供的视场(FOV)如下：θFOV＝2tan-1(wSLM/2D)，其中wSLM是空间光调制器(11)的宽度。对于wSLM＝20mm，图13b的曲线图展示了作为Δ的函数的最大可允许视场θMAX。因此，3-4μm的像素节距允许头戴式图像显示设备(35)的设计，其具有合理的出瞳距离和合理的视场以实现凹式显示。
图14a和14b展示了在串扰方面具有不同像素节距和反射或透射区尺寸的配置的效果。第一示例情况分别涉及4μm的像素节距和3.8μm的反射或透射区(15、24；还包括反射涂层(25)选项)尺寸，并且在第二种情况下(图14b)，像素节距为4μm，并且反射或透射区(15、24)尺寸为1μm。在两种情况下，理想折射率变化对应于逐步函数(stepwisefunction)，使得在像素内折射率具有均匀值。然而，由于液晶内的边缘电场，实际上所期望的折射率值仅在每个像素的中心周围的小区域(约1μm)内实现，并且其余区域中的折射率分布具有在期望值之间的平滑过渡。在图14a所示的情况下，由于反射或透射区宽度大，所以入射光暴露于许多上述不希望的变化。因此，重建的图像被串扰噪声破坏。在图14b所示的情况下，由于反射或透射区具有较窄的宽度，所以入射光主要经历所期望的折射率，并且过渡区域中的折射率变化无关紧要。因此，重建的图像变得更少受到像素串扰噪声的破坏。
图15展示了根据本发明的具有空间光调制器(11)(SLM)和点光源的光学架构。鉴于图14a和14b的相同示例情况，图16a和16b指示由于从每个像素衍射的光在镜面反射周围具有小的扩散(由于反射区具有大的宽度的情况)，因此通过眼眶从每个像素(12，PIX 1到PIX N)接收的功率电平在视场上表现出很大的变化，其中从一些像素根本没有接收到任何功率，导致在视场中形成暗区。另一方面，16c和16d示出由于从每个像素衍射的光在镜面反射周围具有更大的扩散(由于反射区具有约1μm的小的宽度的情况)，因此从空间光调制器(11)的每个像素截获更均匀的光功率，并且没有形成其中没有接收光的暗区。
图3b至3c示出了使用微透镜阵列(30)的SLM实现。该配置进一步改善了SLM的数值孔径。微透镜的曲率半径(图3b，R)控制用于每个像素的眼眶尺寸。通过改变微透镜阵列(30)和SLM电极表面(图3b，t)之间的距离，无论入射角如何，都可以使反射光的主光线平行于SLM的表面法线，从而产生如图17所示的在光瞳平面处的有效的重叠眼眶。
根据本发明，可以示意性地展示具有微透镜阵列(30)的光学装置，该微透镜阵列(30)设置在液晶层(17)的前面以改善数值孔径，通过该光学装置，在图17中用两个眼眶和重叠区域观察从空间光调制器(11)的数值孔径的扩展。
简而言之，本发明提出一种空间光调制器(11)，包括由顶部电极(19)***的液晶层(17)和像素(12)的二维阵列，其中每个像素(12)由像素电极(13)表示，使得通过像素电极(13)的阵列控制所述液晶层(17)。
根据本发明的一个实施例，每个像素电极(13)被配置成具有以反射区(15)、透射区(24)或反射涂层(25)的形式的至少一个光学活性区。
根据本发明的另一个实施例，以反射区(15)、透射区(24)或反射涂层(25)的形式的所述至少一个光学活性区仅部分地覆盖每个像素电极(13)的表面，并且被配置为以下述方式处于相对于彼此间隔开的位置：从在每个像素(12)中相邻的至少一个光学活性区反射或透射通过在每个像素(12)中相邻的至少一个光学活性区的光被衍射以产生角度扩展，使得光学活性区的最小尺寸与入射光的波长的比率在1到5之间。
根据本发明的另一个实施例，光学活性区的最小尺寸是入射光的波长的2至4倍。
根据本发明的另一个实施例，光学活性区由倾斜微镜(29)、微透镜、衍射光栅(31)或变化周期衍射光栅(32)覆盖。
根据本发明的另一个实施例，光学活性区以像素到像素变化周期衍射光栅(32)的形式排列，从而来自发散光源的光的离轴反射或透射的情况下确保均匀的功率分布(uniform power distribution)。
根据本发明的另一个实施例，所述光学活性区是以具有不同的倾斜的倾斜微镜(29)形式构造的反射区(15)或反射涂层(25)。
根据本发明的另一个实施例，所述光学活性区耦合到微透镜。
根据本发明的另一个实施例，所述空间光调制器(11)是仅相位或仅振幅空间光调制器。
根据本发明的另一个实施例，光学活性区的尺寸约为1μm×1μm至3μm×3μm。像素(12)节距优选为3μm×3μm至4μm×4μm。
根据本发明的另一个实施例，提出了一种图像显示设备(35)，包括至少一个点光源(23)和以空间光调制器(11)形式的至少一个微显示设备，所述空间光调制器(11)被定位成由所述至少一个点光源(23)照射。
根据本发明的另一个实施例，以包括眼镜框形状的框架的近眼显示设备形式的图像显示设备(35)包括两个空间光调制器(11)，所述两个空间光调制器(11)在其玻璃位置被安装到所述框架。
根据本发明的另一个实施例，像素孔径由覆盖像素电极(13)的吸收层(14)形成，由所述吸收层(14)界定的所述像素孔径限定了在所述像素电极(13)上光能够从其反射的反射区(15)。
根据本发明的另一个实施例，由所述吸收层(14)覆盖的像素电极(13)设置在非透明CMOS基板(16)上。
根据本发明的另一个实施例，在所述反射区(15)上涂覆滤色器以获得彩色像素(22)。
根据本发明的另一个实施例，图像显示设备(35)是头戴设备。
根据本发明的另一个实施例，空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第一第一侧区域处，并且光从在所述像素电极(13)上的所述反射区(15)朝向相对于所述空间光调制器(11)的第二第一侧区域反射。
根据本发明的另一个实施例，所述点光源(23)被安装到远离所述眼镜框的玻璃位置的框架部分。
根据本发明的另一个实施例，像素孔径由覆盖像素电极(13)的吸收层(14)形成，由吸收层(14)界定的所述像素孔径限定在所述像素电极(13)上的光能够从其通过的透射区(24)。
根据本发明的另一个实施例，由所述吸收层(14)覆盖的透明像素电极(13)设置在透明基板(16)上。
根据本发明的另一个实施例，透明像素电极(13)由铟锡氧化物制成。
根据本发明的另一个实施例，所述空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：所述至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第二侧区域，并且光朝向相对于空间光调制器(11)的第一侧区域通过在所述像素电极(13)上的所述透射区(24)。
根据本发明的另一个实施例，所述至少一个点光源(23)安装在所述两个空间光调制器(11)之间的所述眼镜框架的鼻梁部分上，并且由所述点光源(23)产生的光被馈送到背光单元，所述背光单元从相对于所述空间光调制器(11)的所述第二侧区域照射所述空间光调制器(11)。
根据本发明的另一个实施例，被构造成仅单独占据每个像素电极(13)的部分界定的表面部分的反射涂层(25)附接到所述像素电极(13)，以便允许光的反射。
根据本发明的另一个实施例，由所述反射涂层(25)部分覆盖的透明像素电极(13)设置在透明基板(16)上。
根据本发明的另一个实施例，所述空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：所述至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第一第一侧区域处，并且光从在所述像素电极(13)上的所述反射涂层(25)朝向相对于所述空间光调制器(11)的第二第一侧区域反射。
根据本发明的另一个实施例，滤色器涂覆在所述透射区(24)或反射涂层(25)上，以获得彩色像素(22)。
根据本发明的另一个实施例，由所述空间光调制器(11)透射的所述光通过分束器被引导向相对于所述空间光调制器(11)的所述第一侧区域。
根据本发明的另一个实施例，由所述空间光调制器(11)反射的所述光被分束器引导向相对于所述空间光调制器(11)的第二第一侧区域。
根据本发明的另一个实施例，由所述空间光调制器(11)投射的光包括由其产生的多个衍射级。
根据本发明的另一个实施例，所述点光源(23)包括LED或激光源。
根据本发明的另一个实施例，所述点光源(23)包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。
根据本发明的另一个实施例，所述光学活性区由微透镜覆盖，所述微透镜在相对于所述光学活性区的间隔开的位置在大体靠近所述液晶层(17)的玻璃盖(18)表面上形成微透镜阵列(30)。
根据本发明的另一个实施例，所述光学活性区由微透镜覆盖，所述微透镜形成微透镜阵列(30)，所述微透镜阵列(30)在相对于所述光学活性区的间隔开的位置中嵌入玻璃盖(18)内，以为所述液晶层(17)提供平坦表面。
根据本发明的另一个实施例，所述微透镜阵列(30)以下述方式具有凸透镜或凹透镜：低折射率材料(33)层具有比所述玻璃盖(18)低的折射率，或者高折射率材料(34)具有比玻璃盖(18)高的折射率。
根据本发明的另一个实施例，提出了一种用于制造微显示器的方法，包括以下步骤：a)在基板(16)上设置在3μm×3μm至4μm×4μm的范围中的像素电极(13)，b)用吸收层(14)涂覆像素电极(13)，c)将所述吸收层(14)图案化以分别雕刻出反射区(15)或透射区(24)，以及，d)在所述吸收层(14)上形成1μm×1μm左右大小的中心像素孔径，每个像素孔径对应于像素电极(13)的大体中心表面区域。
根据本发明的另一个实施例，所述方法还包括以下步骤：用R-树脂涂覆所述光学活性区，将所述R-树脂图案化以覆盖各个彩色像素(22)，以G-树脂涂覆，图案化所述G-树脂以覆盖各个彩色像素(22)，以B-树脂涂覆，图案化所述B-树脂以覆盖各个彩色像素(22)，并且用取向层涂覆所得结构。
根据本发明的另一个实施例，所述基板(16)是非透明CMOS基板或透明基板(16)。
根据本发明的另一个实施例，像素电极(13)是反射性的，并且优选地是金属的或透明的，并且优选地是铟锡氧化物。
根据本发明的另一个实施例，提出了另一种制造微显示器的方法，包括以下步骤：包括以下步骤：a)在基板(16)上设置在3μm×3μm至4μm×4μm的范围中的像素电极(13)，b)用反射金属层涂覆像素电极(13)，c)使用光刻法对所述反射层进行图案化，以便获得反射涂层(25)，以及，d)在所述像素电极(13)上形成1μm×1μm左右大小的反射涂层(25)，每个反射涂层(25)对应于像素电极(13)的大体中心表面区域。
根据本发明的另一个实施例，像素电极(13)和所述基板(16)是透明的。

Claims (42)

1.一种空间光调制器(11)，所述空间光调制器(11)包括由顶部电极(19)***的液晶层(17)和像素(12)的二维阵列，其中每个像素(12)由像素电极(13)表示，使得通过像素电极(13)的阵列控制所述液晶层(17)，其特征在于：
每个像素电极(13)被配置成具有以反射区(15)、透射区(24)或反射涂层(25)的形式的至少一个光学活性区，
以反射区(15)、透射区(24)或反射涂层(25)的形式的所述至少一个光学活性区仅部分地覆盖每个像素电极(13)的表面，并且被配置为以下述方式处于相对于彼此间隔开的位置中：从在每个像素(12)中相邻的至少一个光学活性区反射或透射通过在每个像素(12)中相邻的至少一个光学活性区的光被衍射以产生角度扩展，使得光学活性区的最小尺寸与入射光的波长的比率在1到5之间。
2.根据权利要求1所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区的最小尺寸是所述入射光的波长的2至4倍。
3.根据权利要求1或2所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区由倾斜微镜(29)、微透镜、衍射光栅(31)或变化周期衍射光栅(32)覆盖。
4.根据权利要求1或2所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区以像素到像素变化周期衍射光栅(32)的形式排列，从而在来自发散光源的光的离轴反射或透射的情况下确保均匀的功率分布。
5.根据权利要求1或2所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区是以具有不同的倾斜的倾斜微镜(29)形式构造的反射区(15)或反射涂层(25)。
6.根据权利要求1或2所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区被耦合到微透镜。
7.根据任一在前权利要求所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述空间光调制器(11)是仅相位或仅振幅空间光调制器。
8.根据任一在前权利要求所述的空间光调制器(11)，其特征在于，光学活性区的最小尺寸至少为0.5μm×0.5μm。
9.一种图像显示设备(35)，所述图像显示设备(35)包括至少一个点光源(23)和以根据权利要求1所述的空间光调制器(11)的形式的至少一个微显示设备，根据权利要求1所述的空间光调制器(11)被定位成由所述至少一个点光源(23)照射。
10.根据权利要求9所述的图像显示设备(35)，其特征在于，以包括眼镜框形状的框架的近眼显示设备形式的所述图像显示设备(35)包括两个空间光调制器(11)，所述两个空间光调制器(11)在其玻璃位置中被安装到所述框架。
11.根据权利要求1所述的空间光调制器(11)，其特征在于，像素孔径由覆盖像素电极(13)的吸收层(14)形成，由所述吸收层(14)界定的所述像素孔径限定在所述像素电极(13)上光能够从其反射的反射区(15)。
12.根据权利要求11所述的空间光调制器(11)，其特征在于，如由所述吸收层(14)覆盖的所述像素电极(13)被设置在非透明CMOS基板(16)上。
13.根据权利要求11或12所述的空间光调制器(11)，其特征在于，在所述反射区(15)上涂覆滤色器以获得彩色像素(22)。
14.根据权利要求9或10所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述图像显示设备(35)是头戴设备。
15.根据权利要求9或10所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述空间光调制器(11)显示计算机生成的全息图。
16.根据权利要求9或10所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述空间光调制器(11)显示仅相位计算机生成的全息图。
17.根据权利要求14所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第一第一侧区域处，并且光从在所述像素电极(13)上的所述反射区(15)朝向相对于所述空间光调制器(11)的第二第一侧区域反射。
18.根据权利要求14或17所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述点光源(23)被安装到远离所述眼镜框的玻璃位置的框架部分。
19.根据权利要求1所述的空间光调制器(11)，其特征在于，像素孔径由覆盖像素电极(13)的吸收层(14)形成，由吸收层(14)界定的所述像素孔径限定在所述像素电极(13)上的光能够从其通过的透射区(24)。
20.根据权利要求19所述的空间光调制器(11)，其特征在于，由所述吸收层(14)覆盖的透明像素电极(13)被设置在透明基板(16)上。
21.根据权利要求20所述的空间光调制器(11)，其特征在于，透明像素电极(13)由铟锡氧化物制成。
22.根据权利要求14所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：所述至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第二侧区域，并且光朝向相对于空间光调制器(11)的第一侧区域通过在所述像素电极(13)上的所述透射区(24)。
23.根据权利要求22所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述至少一个点光源(23)被安装在所述两个空间光调制器(11)之间的所述眼镜框架的鼻梁部分上，并且由所述点光源(23)产生的光被馈送到背光单元，所述背光单元从相对于所述空间光调制器(11)的所述第二侧区域照射所述空间光调制器(11)。
24.根据权利要求1所述的空间光调制器(11)，其特征在于，构造成仅单独占据每个像素电极(13)的部分界定的表面部分的反射涂层(25)被附接到所述像素电极(13)以便允许光的反射。
25.根据权利要求24所述的空间光调制器(11)，其特征在于，由所述反射涂层(25)部分覆盖的透明像素电极(13)被设置在透明基板(16)上。
26.根据权利要求14所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述空间光调制器(11)是基本上平面的介质，所述基本上平面的介质以下述方式具有围绕其平面的第一侧和第二相对侧：所述至少一个点光源(23)位于相对于所述空间光调制器(11)的第一第一侧区域处，并且光从在所述像素电极(13)上的所述反射涂层(25)朝向相对于所述空间光调制器(11)的第二第一侧区域反射。
27.根据权利要求14所述的图像显示设备(35)，其特征在于，来自第一第一侧区域的光通过所述空间光调制器(11)被调制并且被反射，并且来自所述第二侧的光被部分地透射。
28.根据权利要求19或24所述的空间光调制器(11)，其特征在于，滤色器被涂覆在所述透射区(24)或反射涂层(25)上，以获得彩色像素(22)。
29.根据权利要求22所述的图像显示设备(35)，其特征在于，由所述空间光调制器(11)透射的光通过分束器被引导向相对于所述空间光调制器(11)的所述第一侧区域。
30.根据权利要求26所述的图像显示设备(35)，其特征在于，由所述空间光调制器(11)反射的光被分束器引导向相对于所述空间光调制器(11)的所述第二第一侧区域。
31.根据权利要求11、19或24所述的空间光调制器(11)，其特征在于，由所述空间光调制器(11)投射的光包括由其产生的多个衍射级。
32.根据权利要求17、22或26所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述点光源(23)包括LED或激光源。
33.根据权利要求32所述的图像显示设备(35)，其特征在于，所述点光源(23)包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。
34.根据权利要求3所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区由微透镜覆盖，所述微透镜在相对于所述光学活性区的间隔开的位置中在大体靠近所述液晶层(17)的玻璃盖(18)表面上形成微透镜阵列(30)。
35.根据权利要求3所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述光学活性区由微透镜覆盖，所述微透镜形成微透镜阵列(30)，所述微透镜阵列(30)在相对于所述光学活性区的间隔开的位置中嵌入玻璃盖(18)内，以为所述液晶层(17)提供平坦表面。
36.根据权利要求35所述的空间光调制器(11)，其特征在于，所述微透镜阵列(30)以下述方式具有凸透镜或凹透镜：低折射率材料(33)层具有比所述玻璃盖(18)低的折射率，或者高折射率材料(34)具有比玻璃盖(18)高的折射率。
37.一种用于制造微显示器的方法，包括以下步骤：
a)在基板(16)上设置最小尺寸为2μm×2μm的像素电极(13)，
b)用吸收层(14)涂覆像素电极(13)，
c)将所述吸收层(14)图案化以分别雕刻出反射区(15)或透射区(24)，以及
d)在所述吸收层(14)上以最小尺寸为0.5μm×0.5μm的反射区(15)或透射区(24)的形式形成至少一个光学活性区，每个像素电极(13)包括在其中设置的至少一个光学活性区。
38.根据权利要求37所述的制造微显示器的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：用R-树脂涂覆所述光学活性区，将所述R-树脂图案化以覆盖各个彩色像素(22)，以G-树脂涂覆，图案化所述G-树脂以覆盖各个彩色像素(22)，以B-树脂涂覆，图案化所述B-树脂以覆盖各个彩色像素(22)，并且用取向层涂覆所得结构。
39.根据权利要求37或35所述的制造微显示器的方法，其中，所述基板(16)是非透明CMOS基板或透明基板(16)。
40.根据权利要求37、38或39所述的制造微显示器的方法，其中，像素电极(13)是反射性的，并且优选地是金属的或透明的，并且优选地是铟锡氧化物。
41.一种制造微显示器的方法，包括以下步骤：
a)在基板(16)上设置最小尺寸为2μm×2μm的像素电极(13)，
b)用反射金属层涂覆像素电极(13)，
c)使用光刻法对所述反射层进行图案化，以获得反射涂层(25)，以及
d)在所述像素电极(13)上以最小尺寸为0.5μm×0.5μm的反射涂层(25)的形式形成至少一个光学活性区，每个像素电极(13)包括在其中设置的至少一个光学活性区。
42.根据权利要求41所述的制造微显示器的方法，其中，像素电极(13)和所述基板(16)是透明的。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111061089A (zh) * 2019-12-13 2020-04-24 武汉华星光电技术有限公司 一种显示装置

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108107572B (zh) * 2016-11-25 2020-07-14 中强光电股份有限公司 近眼显示装置
WO2018159470A1 (ja) * 2017-03-02 2018-09-07 シャープ株式会社 表示装置およびヘッドマウントディスプレイ
IL307639A (en) * 2017-09-27 2023-12-01 Magic Leap Inc Near-eye 3D display with separate phase and amplitude modulators
KR20200081626A (ko) * 2018-12-27 2020-07-08 삼성디스플레이 주식회사 디스플레이 장치
CN114185170A (zh) * 2020-09-14 2022-03-15 中强光电股份有限公司 近眼光场显示装置
CN112925140A (zh) * 2021-01-27 2021-06-08 豪威半导体（上海）有限责任公司 Lcos显示器及电子设备
WO2024075127A2 (en) * 2022-10-06 2024-04-11 Lumus Ltd. Beam-spreading arrangements for reflective-slm displays

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5299289A (en) * 1991-06-11 1994-03-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer dispersed liquid crystal panel with diffraction grating
CN1860403A (zh) * 2003-09-30 2006-11-08 奥库提有限公司 定向显示设备
CN101568889A (zh) * 2006-10-26 2009-10-28 视瑞尔技术公司 全息显示装置
CN104049366A (zh) * 2013-03-12 2014-09-17 精工爱普生株式会社 虚像显示装置
WO2015032824A1 (en) * 2013-09-04 2015-03-12 Essilor International (Compagnie Generale D'optique) Methods and systems for augmented reality

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4311999A (en) 1980-02-07 1982-01-19 Textron, Inc. Vibratory scan optical display
EP0608458B1 (en) * 1993-01-29 2002-01-02 Citizen Watch Co. Ltd. A method of operating an optical modulator device
US6046840A (en) * 1995-06-19 2000-04-04 Reflectivity, Inc. Double substrate reflective spatial light modulator with self-limiting micro-mechanical elements
US20030035231A1 (en) 2001-08-03 2003-02-20 Epstein Kenneth A. Optical film having microreplicated structures; and methods
JP4074104B2 (ja) * 2002-02-25 2008-04-09 株式会社リコー 画像投射装置
US20050052376A1 (en) 2003-08-19 2005-03-10 Shivji Shiraz M. Method and apparatus for light emitting devices based display
JP4463567B2 (ja) 2004-01-06 2010-05-19 浜松ホトニクス株式会社 三次元像表示装置および三次元像表示方法
US20080218825A1 (en) 2005-08-29 2008-09-11 Tae-Sun Song Optical Scanning Apparatus and Image Display Apparatus Using the Same
WO2007071391A2 (en) 2005-12-22 2007-06-28 Seereal Technologies S.A. Method for the compensation of an inhomogeneous brightness perception in holographically reconstructed scenes
GB0718706D0 (en) * 2007-09-25 2007-11-07 Creative Physics Ltd Method and apparatus for reducing laser speckle
US8212859B2 (en) 2006-10-13 2012-07-03 Apple Inc. Peripheral treatment for head-mounted displays
US20100073376A1 (en) 2006-11-30 2010-03-25 Koninklijke Philips Electronics N.V. Electronic imaging device and method of electronically rendering a wavefront
DE102007005822A1 (de) 2007-01-31 2008-08-07 Seereal Technologies S.A. Holographisches Rekonstruktionssystem mit optischer Wellennachführung
JP5373810B2 (ja) 2007-12-03 2013-12-18 シーリアル テクノロジーズ ソシエテ アノニム 光導波路及び結像手段を有する照明ユニット
US20100149073A1 (en) 2008-11-02 2010-06-17 David Chaum Near to Eye Display System and Appliance
WO2009136218A1 (en) 2008-05-06 2009-11-12 Microvision Inc. An apparatus for displaying 3 d images
GB2461689A (en) 2008-07-07 2010-01-13 Sharp Kk Illumination panel for display back light
US7850306B2 (en) 2008-08-28 2010-12-14 Nokia Corporation Visual cognition aware display and visual data transmission architecture
US9406166B2 (en) 2010-11-08 2016-08-02 Seereal Technologies S.A. Display device, in particular a head-mounted display, based on temporal and spatial multiplexing of hologram tiles
KR101876944B1 (ko) 2010-12-22 2018-08-09 시리얼 테크놀로지즈 에스.에이. 관찰자 트래킹을 위한 조합된 광변조 장치
US8934160B2 (en) 2011-10-25 2015-01-13 National Central University Optical head-mounted display with mechanical one-dimensional scanner
US9779643B2 (en) 2012-02-15 2017-10-03 Microsoft Technology Licensing, Llc Imaging structure emitter configurations
US9810948B2 (en) * 2012-09-05 2017-11-07 Sharp Kabushiki Kaisha Spatial light modulator comprising a liquid crystal device having reduced stray light
US9703101B2 (en) 2012-10-23 2017-07-11 Lusospace, Projectos Engenharia Lda See-through head or helmet mounted display device
US20140146394A1 (en) 2012-11-28 2014-05-29 Nigel David Tout Peripheral display for a near-eye display device
US9442294B2 (en) * 2013-06-27 2016-09-13 Koc Universitesi Image display device in the form of a pair of eye glasses comprising micro reflectors
KR20150086799A (ko) 2014-01-20 2015-07-29 한국전자통신연구원 휴대용 디바이스를 위한 광섬유 어레이 백라이트를 이용한 홀로그래픽 디스플레이 장치 및 방법
CA2941306C (en) * 2014-03-03 2020-04-28 Eyeway Vision Ltd. Eye projection system
US9874744B2 (en) 2014-06-25 2018-01-23 Thalmic Labs Inc. Systems, devices, and methods for wearable heads-up displays
EP3879334B1 (en) 2014-07-31 2023-11-29 Mtt Innovation Incorporated Numerical approaches for free-form lensing: area parameterization free-form lensing

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5299289A (en) * 1991-06-11 1994-03-29 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Polymer dispersed liquid crystal panel with diffraction grating
CN1860403A (zh) * 2003-09-30 2006-11-08 奥库提有限公司 定向显示设备
CN101568889A (zh) * 2006-10-26 2009-10-28 视瑞尔技术公司 全息显示装置
CN104049366A (zh) * 2013-03-12 2014-09-17 精工爱普生株式会社 虚像显示装置
WO2015032824A1 (en) * 2013-09-04 2015-03-12 Essilor International (Compagnie Generale D'optique) Methods and systems for augmented reality

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111061089A (zh) * 2019-12-13 2020-04-24 武汉华星光电技术有限公司 一种显示装置
CN111061089B (zh) * 2019-12-13 2021-04-27 武汉华星光电技术有限公司 一种显示装置

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Publication number Publication date
EP3433672A1 (en) 2019-01-30
US20190250439A1 (en) 2019-08-15
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WO2017164827A1 (en) 2017-09-28
US10782570B2 (en) 2020-09-22

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