CN116916684A - 用于微型oled光束调整的pbp微透镜 - Google Patents

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宋贤民
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Abstract

一种微型发光二极管器件包括背板、微型LED阵列、偏振衍射微透镜阵列以及盖板玻璃。该背板包括形成在其上的驱动电路；该微型LED阵列结合到该背板，并电耦接到该驱动电路；该偏振衍射微透镜阵列结合到该微型LED阵列并包括平坦表面；该盖板玻璃结合到该偏振衍射微透镜阵列的平坦表面。该偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜的中心与该微型LED阵列中相应的微型LED的中心对准。

Description

用于微型OLED光束调整的PBP微透镜
背景技术
人工现实***，例如头戴式显示器(head-mounted display，HMD)或平视显示器(heads-up display，HUD)***，通常包括近眼显示***，该近眼显示***形成头戴式设备(headset)或一副眼镜的形式，并被配置为经由用户眼睛前方例如约10mm至20mm内的电子显示器或光学显示器向用户呈现内容。近眼显示***可以显示虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象组合，如在虚拟现实(virtual reality，VR)应用、增强现实(augmentedreality，AR)应用或混合现实(Mixed Reality，MR)应用中那样。例如，在AR***中，用户可以例如通过透视透明的显示眼镜或透镜(通常称为光学透视)或者观看由相机采集的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))和周围环境这两者。显示***通常包括一个或多个光源，该一个或多个光源可以被驱动以输出各种亮度水平的光以形成显示图像，例如发光二极管(light-emitting diode，LED)、有机LED(organic LED，OLED)、量子点LED(quantumdot LED，QLED)、量子点电致发光(quantum dot electro luminescent，QDEL)器件和钙钛矿LED(Perovskite LED，PeLED)。例如，发射不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光的半导体微型LED或微型OLED可以用于形成近眼显示***的子像素，这是由于它们的尺寸小(例如，具有小于约50μm、小于约20μm、小于10μm或小于5μm的线性尺寸)、封装密度高(因此分辨率更高)和亮度高。
发明内容
本公开总体上涉及近眼显示器，例如头戴式显示器。更具体地，并非限制性地，本文公开的技术涉及包括图像源的近眼显示器，该图像源具有用于光束准直和光束偏转的偏振衍射微透镜。本文描述了各种发明实施例，包括器件、***、方法、结构、材料、工艺等。
根据某些实施例，微型发光二极管(micro-light emitting diode，micro-LED)器件可以包括背板、微型LED阵列、偏振衍射微透镜阵列以及盖板玻璃。该背板包括形成在其上的驱动电路；该微型LED阵列结合到该背板，并电耦接到该驱动电路；该偏振衍射微透镜阵列结合到该微型LED阵列并包括平坦表面；该盖板玻璃结合到该偏振衍射微透镜阵列的平坦表面。该偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜的中心可以与该微型LED阵列中相应的微型LED的中心对准。在一些实施例中，该微型LED器件可以包括圆偏光片。
在微型LED器件的一些实施例中，偏振衍射微透镜阵列可以被配置为对由微型LED阵列发射的光束进行准直。该偏振衍射微透镜阵列还可以被配置为使由该微型LED阵列发射的光束的主光线偏转不同的偏转角，该偏转角从该微型LED器件的中心到该微型LED器件的边缘逐渐增大。该偏振衍射微透镜阵列中的偏振衍射微透镜的光轴可以从偏振衍射微透镜的中心偏移。
在一些实施例中，该偏振衍射微透镜阵列中的第一偏振衍射微透镜的特征可以在于该第一偏振衍射微透镜的光轴与该第一偏振衍射微透镜的中心之间的第一偏移量，以及该偏振衍射微透镜阵列中的第二偏振衍射微透镜的特征可以在于该第二偏振衍射微透镜的光轴与该第二偏振衍射微透镜的中心之间的第二偏移量，其中，该第二偏移量与该第一偏移量不同。
在一些实施例中，该偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜的特征可以在于第一圆偏振状态的光具有正光焦度，第二圆偏振状态的光具有负光焦度。该偏振衍射微透镜阵列可以包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)微透镜。该偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜可以包括对准层和液晶分子，该对准层包括形成在其上的对准图案，该液晶分子根据该对准图案进行排列。在一些实施例中，该微型LED阵列的间距等于该偏振衍射微透镜阵列的间距。
在一些实施例中，微型LED阵列可以包括微型有机发光二极管(micro-organiclight emitting diode，micro-OLED)阵列、III-V族半导体微型LED阵列、或滤色器阵列和微型OLED阵列。该微型有机发光二极管阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；该III-V族半导体微型LED阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；或者该滤色器阵列和微型OLED阵列被配置为发射白光。在一些实施例中，该微型LED阵列可以包括像素阵列，该像素阵列中的每个像素包括第一微型LED、第二微型LED以及第三微型LED，该第一微型LED被配置为发射第一波长范围内的光，该第二微型LED被配置为发射第二波长范围内的光，该第三微型LED被配置为发射第三波长范围内的光。该偏振衍射微透镜阵列中的三个偏振衍射微透镜可以被配置为使由该第一微型LED、该第二微型LED以及该第三微型LED发射的光束的主光线偏转相同的偏转角。
根据实施例，近眼显示***可以包括图像源以及显示光学器件，该图像源被配置为产生显示光，该显示光学器件被配置为将由该图像源发射的显示光投射到该近眼显示***的适眼区。该图像源可以包括背板、微型LED阵列、偏振衍射微透镜阵列以及盖板玻璃。该背板包括形成在其上的驱动电路，该微型LED阵列结合到该背板，并电耦接到该驱动电路，该偏振衍射微透镜阵列与该微型LED阵列对准并包括平坦表面，该盖板玻璃结合到该偏振衍射微透镜阵列的平坦表面。该偏振衍射微透镜阵列的间距可以等于该微型LED阵列的间距。在一些实施例中，近眼显示***还可以包括位于该图像源与该显示光学器件之间的圆偏光片。
在近眼显示***的一些实施例中，该偏振衍射微透镜阵列可以被配置为使由该微型LED阵列发射的光束的主光线以不同的入射角引导到该显示光学器件。该偏振衍射微透镜阵列可以被配置为使由微型LED阵列发射的光束的主光线偏转不同的偏转角，该偏转角从该图像源的中心到该图像源的边缘逐渐增大。该偏振衍射微透镜阵列中的偏振衍射微透镜的光轴可以从该偏振衍射微透镜的中心偏移。该偏振衍射微透镜阵列可以包括多个PBP微透镜，其中，该多个PBP微透镜中的每个PBP微透镜可以具有第一圆偏振状态的光的正光焦度和第二圆偏振状态的光的负光焦度。在一些实施例中，该偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜可以包括对准层以及液晶分子，该对准层包括形成在其上的对准图案，该液晶分子根据该对准图案进行排列。在一些实施例中，该微型LED阵列可以包括微型有机发光二极管(micro-OLED)阵列、III-V族半导体微型LED阵列、以及滤色器阵列和微型OLED阵列，该微型有机发光二极管被配置为发射红光、绿光和蓝光；该III-V族半导体微型LED阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；该微型OLED阵列被被配置为发射白光。
本发明内容既不旨在确定所要求保护主题的关键或必要特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护主题的范围。该主题应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何附图或所有附图、以及每项权利要求来理解。前述内容连同其它特征和示例将在说明书、权利要求和附图中更详细地描述。
附图说明
下面参考附图详细描述说明性实施例。
图1为根据某些实施例的包括近眼显示器的人工现实***环境的示例的简化框图。
图2为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的头戴式显示(HMD)设备形式的近眼显示器的示例的立体图。
图3为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器的示例的立体图。
图4为根据某些实施例的近眼显示器的示例的截面图。
图5示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有非瞳孔形成配置的光学***的示例。
图6示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实***的示例。
图7A示出了微型OLED显示***的示例。
图7B示出了根据某些实施例的包括用于光提取和光束准直的偏振衍射微透镜的微型OLED显示***的示例。
图8A为根据某些实施例的PBP光栅的示例的x-z平面的视图。
图8B为根据某些实施例的图8A中所示的PBP光栅的示例的x-y平面的视图。
图9A示出了根据某些实施例的PBP透镜的示例中的液晶(liquid crystal，LC)分子取向。
图9B示出了根据某些实施例的图9A中的PBP透镜的一部分的LC分子取向。
图10A和图10B示出了根据某些实施例的对圆偏振光敏感的PBP透镜的示例。
图11A示出了包括微型LED阵列和显示光学器件的基于微型LED的显示***的示例。
图11B示出了从图11A的微型LED阵列入射到显示光学器件上的光的角度。
图11C示出了由图11A的微型LED阵列发射的、可以由显示光学器件收集并投射到用户的眼睛的光束的部分的示例。
图12A示出了包括微型OLED阵列和用于提取并会聚来自该微型OLED阵列的光的微透镜阵列的微型OLED器件的示例。
图12B示出了由图12A的微型OLED器件的微型OLED阵列发射的、可以由显示光学器件收集的部分光束的示例。
图13A示出了微型OLED器件的示例。
图13B示出了根据某些实施例的包括用于光提取和光束成形的偏振衍射微透镜的微型OLED器件的示例。
图13C示出了根据某些实施例的图13B的偏振衍射微透镜阵列的示例。
图14示出了根据某些实施例的偏振衍射微透镜阵列的示例。
图15A至图15D示出了根据某些实施例的制造本文公开的偏振衍射微透镜的工艺的示例。
图15E示出了使用直接激光写入技术来图案化对准层的工艺的示例。
图16A至图16D示出了根据某些实施例的制造本文公开的偏振衍射微透镜的工艺的示例。
图17包括示出了根据某些实施例的制造微型LED器件的工艺的示例的流程图。
图18为根据某些实施例的近眼显示器的电子***的示例的简化框图。
附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或本公开中所披露的权益的情况下，可以采用所示出的结构和方法的替代实施例。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种部件可以通过在附图标记后加上破折号和区分多个相似部件的第二标记来区分。如果说明书中仅使用了第一附图标记，则该描述可适用于具有相同第一附图标记的多个相似部件中的任何一个，而与第二附图标记无关。
具体实施方式
本公开总体上涉及近眼显示器，例如头戴式显示器。更具体地，并非限制性地，本文公开的技术涉及包括图像源的近眼显示器，该图像源具有用于光束准直和光束偏转的偏振衍射微透镜。本文描述了各种发明实施例，包括器件、***、方法、结构、材料和工艺等。
增强现实(AR)和虚拟现实(VR)应用可以使用近眼显示器(例如，头戴式显示器)，该近眼显示器包括微小单色光发射器(例如，迷你发光二极管(迷你LED)或微型发光二极管(微型LED))的阵列。发光二极管(LED)可以包括例如III-V族半导体LED、有机LED(organicLED，OLED)、量子点LED(quantum dot LED，QLED)、量子点电致发光(quantum dot electroluminescent，QDEL)器件和钙钛矿LED(perovskite LED，PeLED)。在一些VR显示器中，由光发射器阵列(例如，二维阵列)发射的光可以由显示光学器件投射到用户的眼睛，其中，总效率可以由每个光发射器的外部量子效率(external quantum efficiency，EQE)和用于将所发射的光引导到显示***的适眼区(eyebox)的显示光学器件的效率来确定。在一些AR显示器中，由光发射器阵列发射的光可以被准直并且耦合到组合器(例如，透明波导)中，以用于将显示图像和周围环境图像传送到用户的眼睛。用于人工现实应用的波导显示***的总效率ηtot可以由ηtot＝ηEQE×ηin×ηout来确定，其中，ηEQE是每个光发射器的EQE，ηin是显示光从光发射器进入波导的耦入效率，而ηout是显示光从波导向用户的眼睛的耦出效率。通常，由于例如显示***的有限的视场和/或出射光瞳，发射光的仅一部分可以到达用户的眼睛。
许多光发射器件，例如一些半导体LED、OLED、QLED、QDEL器件和PeLED，可以具有接近于朗伯(Lambertian)发射器的发射轮廓的角发射轮廓。这可以降低从光发射器件到适眼区的耦合效率，因为一些具有较大发射角的发射光可能不会被显示光学器件收集并引导到适眼区。这也可能由于例如来自较大发射角的杂散光而导致幻像。为了提高显示***的光效率和图像质量，可以设计许多显示面板，使得每个光发射器件的发射光束更加定向。例如，微透镜阵列可以用于显示***中以将由光发射器件发射的光束准直，使得每一光束可以具有较小的发射角。微透镜阵列中的微透镜通常可以具有平凸形状，以便具有用于准直或聚焦所发射的光束的正光焦度(optical power)。因此，微透镜阵列的顶表面可以不是平坦的。因此，在微透镜阵列和另一光学部件(例如，盖板玻璃、偏光片或波片)之间可能存在空气间隙，这可能导致在微透镜阵列和空气之间的界面处的菲涅耳(Fresnel)反射以及在空气和另一光学部件(例如，盖板玻璃)之间的界面处的菲涅耳反射。由于微透镜阵列的粗糙表面，因此可能难以在微透镜阵列上形成抗反射涂层以减少菲涅耳反射。由于光发射器件阵列的间距小(例如，小于约20μm、小于约10μm、小于约5μm或小于约3μm)，因此也难以制造平凸微透镜，并且所制造的微透镜可能具有缺陷，该缺陷可以降低效率和图像质量。
另外，当光发射器件阵列中的光发射器件的发射角被均匀地控制(例如，被准直以具有较小的发射锥体和相同或相似的主光线角)时，由光发射器件发射的光可能不会通过显示光学器件(例如，薄饼(pancake)透镜或另一图像投射透镜)被均匀地收集并且传送到显示***的适眼区，该显示光学器件可能具有有限的孔径尺寸和有限的视场。例如，由光发射器件阵列的边缘附近的光发射器件发射的光可以以低于由光发射器件阵列的中心处的光发射器件发射的光的效率被收集并被传送到显示***的适眼区，这可能导致所显示的图像中的不均匀的强度或亮度。因此，从光发射器件阵列的边缘处的光发射器件发射的光可能需要与从光发射器件阵列的中心处的光发射器件发射的光进行不同地偏转。一种重定向发射光的技术是使用微透镜阵列，该微透镜阵列包括用于一些光发射器件的偏心微透镜。例如，微透镜阵列的间距可以与光发射器件阵列的间距(pitch)不同，或者可以以其他方式相对于光发射器件阵列中心偏移，使得由每个光发射器件发射的光束不仅可以被准直或聚焦，而且还可以以各自的角度向显示光学器件偏转。这种技术可能需要精确的像素级对准(因此可能难以制造)，并且可能由于某些几何形状限制而具有有限的偏转角。例如，为了使发射的光束偏转较大的角度，微透镜阵列中的微透镜的中心可能需要从光发射器件阵列中的对应光发射器件的中心偏移较大的量，这可能由于光发射器件阵列和微透镜阵列的小尺寸和间距而导致串扰和/或相反偏转。
根据某些实施例，偏振衍射微透镜阵列可以用于近眼显示***中以调整从光发射器件阵列(例如，微型OLED的二维阵列)发射的光束。偏振衍射微透镜阵列可以包括例如Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜(也称为几何相位透镜)或偏振体全息图(PVH)透镜的二维阵列，这些透镜可以是平面的并且可以以不同的方式衍射不同偏振态的光。例如，偏振衍射微透镜可以以较大的衍射角和较高的衍射效率衍射第一偏振状态(例如，右旋圆偏振(right-handed circular polarization，RHCP)或左旋圆偏振(left-handed circularpolarization，LHCP))的光，并且可以以不同的衍射角和/或以较低的衍射效率衍射第二偏振状态(例如，LHCP或RHCP)的光。因此，偏振衍射微透镜可以针对不同偏振状态的光具有不同的光焦度，例如使第二圆偏振状态的光发散的同时，使第一圆偏振状态的光准直或聚焦。偏振衍射微透镜阵列可以使用双折射材料(例如，液晶(LC)聚合物层)来制备，因此可以被制成平坦的，并且可以被结合到盖板玻璃而在其间没有空气间隙。由液晶聚合物层制备的偏振衍射微透镜阵列的有效折射率也可以接近或匹配盖板玻璃、粘接材料(例如，光学透明粘合剂，例如，环氧树脂)和/或光发射器件阵列(例如，微型OLED的滤色器)的折射率。因此，可以显著地减少不同介质之间的界面处的菲涅耳反射。
此外，偏振衍射微透镜阵列可以具有不同的相位轮廓，例如轴上球面透镜(on-axis spherical lens)的相位轮廓、轴上自由曲面透镜(on-axis freeform lens)的相位轮廓、离轴自由曲面透镜(off-axis freeform lens)的相位轮廓或其组合，以使由不同发光源发射的光束形成为不同的发射锥，从而使光提取效率和总***效率最大化，而无需将偏振衍射微透镜阵列相对于微型OLED阵列进行物理移位。例如，偏振衍射微透镜阵列可以与光发射器件阵列中心对准，而不是从光发射器件的中心偏移，同时将光发射器件发射的光束偏转到不同的期望方向。因此，与平凸微透镜相关联的串扰和/或相反偏转可以被避免。
偏振衍射微透镜可以通过在对准层上涂覆液晶聚合物层来制备，该对准层具有形成在其上的对准图案。对准图案可以包括用于微透镜阵列的对准图案，并且可以通过例如偏振干涉图案化、直接激光写入图案化或压印光刻来形成。可以将液晶聚合物层例如逐层地涂覆在对准层的图案化表面上，直到达到期望的厚度和/或扭曲角。可以执行固化(例如，UV固化)工艺以固化液晶聚合物层并固定液晶分子的扭曲图案。使用这些制造技术可以制造较小的偏振衍射微透镜(例如，具有小于约20μm，小于约10μm，或更小的直径)，该偏振衍射微透镜用于偏转较大角度的光束，具有间距较小的液晶分子的对准图案(例如，小于约1μm至小于约100nm或更小)。
本文所述的微型LED器件可以与各种技术(例如，人工现实***)结合使用。人工现实***，例如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)***，通常包括被配置为呈现人工图像的显示器，该人工图像描绘虚拟环境中的对象。显示器可以呈现虚拟对象或将现实对象的图像与虚拟对象组合，如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中那样。例如，在AR***中，用户可以例如通过透视透明的显示眼镜或透镜(通常称为光学透视)或者观看由相机采集的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))和周围环境这两者。在一些AR***中，可以使用基于LED的显示子***向用户呈现人工图像。
如本文所用，术语“微型LED”或“μLED”可以指具有小于约200μm(例如，小于100μm、小于50μm、小于20μm、小于10μm或更小)的线性尺寸的LED。例如，微型LED的线性尺寸可以小至6μm、5μm、4μm、2μm或更小。如本文所使用的，微型LED可以包括例如半导体微型LED(例如，包括III-V族半导体材料)或基于有机发光材料的微型LED(例如，微型OLED)。本文的公开内容不限于微型LED，并且也可以应用于迷你LED和较大的LED。
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的示例的全面理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下来实践各种示例。例如，器件、***、结构、组件、方法和其它部件可以被示出为框图形式的部件，以免在不必要的细节中模糊这些示例。在其它情况下，为了避免模糊这些示例，可以在没有必要细节的情况下示出众所周知的器件、工艺、***、结构和技术。这些附图和描述不旨在是限制性的。在本公开中已使用的术语和表达均用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或该特征中的多个部分的任何等同物。“示例”一词在本文中用于表示“作为示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其它实施例或设计更优选或有优势。
图1为根据某些实施例的包括近眼显示器120的人工现实***环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实***环境100可以包括近眼显示器120，可选的外部的成像设备150和可选的输入/输出接口140，上述部件中的每一者都可以耦接至可选的控制台110。尽管图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部的成像设备150和一个输入/输出接口140的人工现实***环境100的示例，但是人工现实***环境100可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件中的任何部件。例如，可以存在多个近眼显示器120，这些近眼显示器被与控制台110通信的一个或多个外部的成像设备150监控。在一些配置中，人工现实***环境100可以不包括外部的成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，在人工现实***环境100中可以包括不同的部件或附加的部件。
近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频中的一者或多者、或其任何组合。在一些实施例中，可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频，该外部设备接收来自近眼显示器120、控制台110、或这两者的音频信息，并且基于该音频信息来呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性本体，该一个或多个刚性本体可以刚性地或非刚性地彼此耦接。多个刚性本体之间的刚性耦接可以使得耦接的这些刚性本体作为单个刚性实体。多个刚性本体之间的非刚性耦接可以允许这些刚性本体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何适当的形状要素(包括一副眼镜)来实现。下面参照图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些实施例。另外，在各种实施例中，可以在头戴式设备(headset)中使用本文描述的功能，该头戴式设备将近眼显示器120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)进行组合。因此，近眼显示器120可以利用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一者或多者。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个***126、一个或多个位置传感器128和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)132。在各种实施例中，近眼显示器120可以省略眼睛跟踪单元130、***126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者可以包括附加的元件。另外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括具备有结合图1描述的各种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据接收的来自于例如控制台110的数据，向用户显示图像或促进向用户显示图像。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic lightemitting diode，OLED)显示器、无机发光二极管(inorganic light emitting diode，ILED)显示器、微型发光二极管(micro light emitting diode，μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(active-matrix oled display，AMOLED)、透明OLED显示器(transparent oleddisplay，TOLED)或一些其它显示器。例如，在近眼显示器120的一种实施方式中，显示电子器件122可以包括前显示面板(例如，前TOLED面板)、后显示面板和位于前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏光片、或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括多个像素，以发出例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色等主导颜色的光。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(three-Dimensional，3D)图像，以创建对图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼前方的左显示器和右眼前方的右显示器。左显示器和右显示器可以呈现图像的相对于彼此水平移位的多个副本，以创建立体效果(即，用户观看图像时对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光波导和光耦合器)显示图像内容，或者可以放大从显示电子器件122接收的图像光，校正与图像光相关的光学误差，并且向近眼显示器120的用户呈现校正的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括例如一个或多个光学元件，例如衬底、光波导、光圈、菲涅耳(Fresnel)透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器、或可以影响从显示电子器件122发出的图像光的任何其它合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及多个机械耦接件，以保持组合中这些光学元件的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光进行放大可以允许显示电子器件122与较大的显示器相比，物理体积更小、重量更轻并且消耗的功率更少。另外，该放大可以增大所显示的内容的视场。可以通过调整光学元件、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件，来改变显示光学器件124对图像光的放大量。在一些实施例中，显示光学器件124可以将所显示的图像投射到一个或多个图像平面，该一个或多个图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124还可以被设计为校正一种或多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其任何组合。二维误差可以包括在两个维度中出现的光学像差。二维误差的多种示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三个维度中出现的光学误差。三维误差的多种示例类型可以包括球面像差、彗形像差、场曲和像散。
***126可以是位于近眼显示器120上的彼此相关且与近眼显示器120上的参考点相关的多个特定位置上的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部的成像设备150采集的图像中的***126，以确定人工现实头戴式设备的位置、取向、或这两者。***126可以是LED、隅角立方反射器(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120运行时所处的环境形成对比的一种类型的光源、或它们的任何组合。在***126为有源部件(例如，LED或其它类型的光发射设备)的实施例中，***126可以发射位于可见波段(例如，约380nm到750nm)的光、位于红外(IR)波段(例如，约750nm到1mm)的光、位于紫外波段(例如，约10nm到约380nm)的光、位于电磁波谱的另一部分中的光、或位于电磁波谱的多个部分的任何组合中的光。
外部的成像设备150可以包括一个或多个相机、一个或多个摄影机、能够采集包括多个***126中的一个或多个的图像的任何其它设备、或其任何组合。另外，外部的成像设备150可以包括一个或多个滤光器(例如，以增大信噪比)。外部的成像设备150可以被配置为检测从处于外部的成像设备150的视场中的***126发射或反射的光。在***126包括无源元件(例如，回归反射器(retroreflector))的实施例中，外部的成像设备150可以包括照射多个***126中的一些或全部的光源，这些***可以将光回射到外部的成像设备150中的光源。可以从外部的成像设备150向控制台110传送慢速校准数据，并且外部的成像设备150可以接收来自控制台110的一个或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速计、陀螺仪、磁力计、其它运动检测传感器或误差校正传感器、或其任何组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，前/后、上/下或左/右)的多个加速计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或翻滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各位置传感器可以彼此正交地定位。
IMU 132可以是基于从一个或多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部、或其任何组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示近眼显示器120相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间对接收到的来自加速计的多个测量信号进行积分以估计速度矢量，并且随时间对速度矢量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的多个测量信号，该控制台可以确定快速校准数据。虽然可以将参考点笼统地定义为空间中的点，但是在各种实施例中，也可以将参考点定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛跟踪单元130可以包括一个或多个眼睛跟踪***。眼睛跟踪可以意图确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，该位置包括眼睛的取向和定位。眼睛跟踪***可以包括用于对一只或多只眼睛进行成像的成像***，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像***采集。例如，眼睛跟踪单元130可以包括非相干或相干光源(例如，激光二极管)和相机，该非相干或相干光源发射位于可见光谱或红外光谱的光，该相机采集由用户的眼睛反射的光。作为另一示例，眼睛跟踪单元130可以采集由微型雷达单元发射的被反射的无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，这些低功率光发射器以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置为增加由眼睛跟踪单元130采集的眼睛的图像的对比度，同时降低由眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，降低眼睛跟踪单元130中包括的光发射器和成像***消耗的功率)。例如，在一些实施例中，眼睛跟踪单元130消耗的功率可以小于100毫瓦。
近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如确定用户的瞳孔间距离(inter-pupillary distance，IPD)，确定注视方向，引入深度信息(depth cue)(例如，用户的主视线之外的模糊图像)，收集关于VR媒体中用户交互的启发式方法(heuristics)(例如，花费在任何特定主题、对象或帧上的时间随遭受的刺激的变化)、部分基于用户的至少一只眼睛的取向的一些其它功能、或者其任何组合。因为可以确定用户双眼的取向，所以眼睛跟踪单元130可以能够确定用户正在看向的位置。例如，确定用户的注视方向可以包括：基于所确定的用户左眼和右眼的取向，确定会聚点(point of convergence)。会聚点可以是用户双眼的两个中央凹轴(foveal axes)相交的点。用户的注视方向可以是穿过会聚点以及用户双眼的瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用，或者是执行应用内的特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触控屏、或用于接收动作请求并且向控制台110传送所接收到的动作请求的任何其它合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，该控制台可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令，向用户提供触觉反馈。例如，输入/输出接口140可以在动作请求被接收时、或者在控制台110已经执行了所请求的动作并且向输入/输出接口140传送指令时，提供触觉反馈。在一些实施例中，外部的成像设备150可以用于跟踪输入/输出接口140，例如跟踪控制器(该控制器可以包括例如IR光源)的定位或位置、或用户的手部的定位或位置，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像设备，以跟踪输入/输出接口140，例如，跟踪控制器的定位或位置、或用户的手部的定位或位置，以确定用户的运动。
控制台110可以根据接收的来自外部的成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者的信息，向近眼显示器120提供内容，以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用商店112、头戴式设备跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的那些模块不同的模块或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台110的多个部件之中。
在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由该处理器执行的指令的非暂态计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪速存储器或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂态计算机可读存储介质中的指令，这些指令在被处理器执行时，使处理器执行下文进一步描述的功能。
应用商店112可以存储一个或多个应用，以供控制台110执行。应用可以包括一组指令，该组指令在被处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动而从用户接收的输入，或者响应于从输入/输出接口140接收的输入。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频播放应用、或其它合适的应用。
头戴式设备跟踪模块114可以使用来自外部的成像设备150的慢速校准信息，来跟踪近眼显示器120的运动。例如，头戴式设备跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的***以及近眼显示器120的模型，来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式设备跟踪模块114也可以使用来自快速校准信息的位置信息，来确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴式设备跟踪模块114可以使用以下信息中的部分信息：快速校准信息、慢速校准信息或其任何组合，以预测近眼显示器120的未来定位。头戴式设备跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供估计或预测的近眼显示器120的未来位置。
人工现实引擎116可以执行人工现实***环境100内的应用，并且接收来自头戴式设备跟踪模块114的近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、预测的近眼显示器120的未来位置、或者其任何组合。人工现实引擎116还可以接收来自眼睛跟踪模块118的估计的眼睛位置和取向信息。基于所接收到的信息，人工现实引擎116可以确定待提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果所接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映用户眼睛活动的内容。另外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求，执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供反馈以指示该动作已经被执行。该反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈、或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛跟踪模块118可以接收来自眼睛跟踪单元130的眼睛跟踪数据，并基于该眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或该近眼显示器中的任何元件的取向、定位、或这二者。因为眼睛的旋转轴线随眼睛在眼窝中的定位的变化而变化，所以确定眼睛在其眼窝中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更精确地确定眼睛的取向。
图2为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的HMD设备200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD设备200可以是例如VR***、AR***、MR***、或其任何组合的一部分。HMD设备200可以包括主体220和头带230。图2以立体图示出了主体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可伸长的长度。在HMD设备200的主体220与头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD设备200佩戴到用户的头部上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括例如如以下图3所示的眼镜镜腿(eyeglass temple)和镜腿套(temple tip)，而不包括头带230。
HMD设备200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(two-dimensional，2D)图像或三维(three-dimensional 3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频、或其任何组合。可以通过包封在HMD设备200的主体220中的一个或多个显示组件(图2中未示出)，向用户的每只眼睛呈现图像和视频。在各种实施例中，一个或多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛使用一个显示面板)。一个或多个电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、某种其它显示器、或其任何组合。HMD设备200可以包括两个适眼区(eye box)区域。
在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些传感器可以使用结构光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HMD设备200内的应用，并且接收来自各种传感器的HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其任何组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括***(未示出，例如***126)，这些***位于主体220上的彼此相关并且与参考点相关的多个固定位置。这些***中的每个***可以发射可由外部的成像设备检测的光。
图3为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实施方式，并且可以被配置为用作虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文关于图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括位于框架305上或位于框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a至350e可以用作输入设备以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a至350e也可以用于立体成像。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330，以将光投射到物理环境中。所投射的光可以与不同的频段(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，一个或多个照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以协助传感器350a至350e在黑暗环境中采集不同对象的图像。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施例中，一个或多个照明器330可以用作***，这些***为例如上述关于图1描述的***126。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率的相机340。相机340可以采集视场中的物理环境的图像。所采集的图像可以例如被虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所采集的图像中或者修改所采集的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由显示器310向用户显示以用于AR或MR应用。
图4为根据某些实施例的近眼显示器400的示例的截面图。近眼显示器400可以包括至少一个显示组件410。显示组件410可以被配置为将图像光(例如，显示光)引导至位于出射光瞳(exit pupil)420处的适眼区并且引导至用户的眼睛490。应当注意的是，尽管图4和本公开中的其他附图出于说明目的示出了近眼显示器的用户的眼睛，但是用户的眼睛不是对应的近眼显示器的一部分。
与HMD设备200和近眼显示器300一样，近眼显示器400可以包括框架405和显示组件410，该显示组件可以包括耦接到或嵌入到框架405中的显示器412和/或显示光学器件414。如上所述，显示器412可以根据接收的来自于处理单元(例如，控制台110)的数据，以电的方式(例如，使用LCDs、LEDs、OLEDs)或以光的方式(例如，使用波导显示器和光耦合器)向用户显示图像。在一些实施例中，显示器412可以包括显示面板，该显示面板包括由LCD、LED和OLED等制成的像素。显示器412可以包括子像素以发射主要颜色(例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光。在一些实施例中，显示组件410可以包括一个或多个波导显示器的叠置体，包括但不限于叠置式的波导显示器、可变焦波导显示器等。叠置式的波导显示器可以是通过叠置各自的单色源具有不同颜色的波导显示器而创建的多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)。
显示光学器件414可以类似于显示光学器件124，并且可以光学地(例如，使用光波导和光耦合器)显示图像内容、校正与图像光相关联的光学误差、将虚拟对象的图像和现实对象的图像进行组合、以及向用户的眼睛490可能所在的近眼显示器400的出射光瞳420呈现校正的图像光。在一些实施例中，显示光学器件414也可以中继(relay)图像以创建虚拟图像，该虚拟图像看起来远离显示器412并且与用户的眼睛相距仅几厘米。例如，显示光学器件414可以使图像源准直以创建可以看起来很远(例如，大于约0.3m，例如约0.5m、1m或3m远)的虚拟图像，并且可以将所显示的虚拟对象的空间信息转换成角度信息。在一些实施例中，显示光学器件414还可以放大源图像，以使图像看起来大于源图像的实际大小。下面对显示器412和显示光学器件414的更多细节进行描述。
在各种实施方式中，近眼显示器(例如，HMD)的光学***可以是光瞳成像(pupil-forming)或非光瞳成像(non-pupil-forming)。非光瞳成像HMD不会使用中间光学器件来中继所显示的图像，因此用户的瞳孔可以用作HMD的光瞳。这种非光瞳成像显示器可以是放大器的变型(有时称为“简易目镜”)，其可以放大所显示的图像以在距眼睛的更大距离处形成虚拟图像。非光瞳成像显示器可以使用更少的光学元件。光瞳成像HMD可以使用与例如复合显微镜或望远镜的光学器件类似的光学器件，并且可以包括一些形式的投影光学器件，这些投影光学器件可以放大图像并且将其中继到出射光瞳。
图5示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有非光瞳成像配置的光学***500的示例。光学***500可以是近眼显示器400的示例，并且可以包括显示光学器件510和图像源520(例如，显示面板)。显示光学器件510可以用作放大器。图5示出了图像源520位于显示光学器件510的前面。在一些其它实施例中，图像源520可以位于用户的眼睛590的视场之外。例如，一个或多个偏转器或定向耦合器可以用于偏转来自图像源的光，以使图像源看起来位于图5所示的图像源520的位置处。图像源520可以是上述显示器412的一个示例。例如，图像源520可以包括光发射器的二维阵列，例如半导体微型LED或微型OLED。图像源520中的光发射器的尺寸和间距可以较小。例如，每个光发射器可以具有小于2μm(例如，大约1.2μm)的直径，并且间距可以小于2μm(例如，大约1.5μm)。这样，图像源520中的光发射器的数量可以等于或大于显示图像中的像素的数量，例如960×720、1280×720、1440×1080、1920×1080、1860×1080、或2560×1080个像素。因此，显示图像可以由图像源520同时生成。
来自图像源520的区域(例如，像素或光发射器)的光可以通过显示光学器件510引导到用户的眼睛590。由显示光学器件510引导的光可以在图像平面530上形成虚拟图像。图像平面530的位置可以基于图像源520的位置和显示光学器件510的焦距来确定。用户的眼睛590可以使用由显示光学器件510引导的光在用户的眼睛590的视网膜上形成真实图像。这样，图像源520上不同空间位置处的对象可能看起来是在不同视角下远离用户的眼睛590的图像平面上的对象。图像源520的尺寸可以大于或小于显示光学器件510的尺寸(例如，孔径)。从图像源520发射的具有大发射角的一些光(如由光线522和524所示)可能不会被显示光学器件510采集并引导到用户的眼睛590，并且可能变成杂散光。
图6示出了根据某些实施例的包括波导显示器的光学透视增强现实***600的示例。增强现实***600可以是近眼显示器400的另一示例，并且可以包括投影仪610和组合器615。投影仪610可以包括光源或图像源612和投影仪光学器件614。在一些实施例中，图像源612可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如LCD显示面板或LED显示面板。例如，在一些实施例中，光源或图像源612可以包括一个或多个微型LED器件，例如微型OLED器件或半导体微型LED器件。在一些实施例中，图像源612可以包括多个光源(例如，微型LED的二维阵列)，每个光源发射对应于原色(primary color)(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源612可以包括三个微型LED的二维阵列，其中，每个微型LED的二维阵列可以包括被配置为发射原色(例如，红色、绿色或蓝色)光的多个微型LED。在一些实施例中，图像源612可以包括相干或部分相干光源(例如，激光器)和光学图案生成器，例如空间光调制器。
投影仪光学器件614可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源612的光，例如扩展、准直、扫描来自图像源612的光或将来自图像源612的光投射到组合器615。例如，该一个或多个光学部件可以包括一个或多个固体透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，图像源612可以包括一个或多个二维微型LED阵列，并且投影仪光学器件614可以包括透镜组件。在一些实施例中，图像源612可以包括一个或多个微型LED的一维阵列或细长的二维阵列，并且投影仪光学器件614可以包括一个或多个一维扫描仪(例如，微型反射镜(micro-mirror)或棱镜)，该一个或多个一维扫描仪被配置为扫描由微型LED的一维阵列或细长的二维阵列发射的光，以生成图像帧。在一些实施例中，投影仪光学器件614可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜允许对来自图像源612的光进行扫描。
组合器615可以包括输入耦合器630，该输入耦合器用于将来自投影仪610的光耦入到组合器615的衬底620中。例如，输入耦合器630可以包括衍射光学元件(diffractiveoptical element，DOE)(例如，体全息光栅、表面浮雕光栅、PBP光栅或PVH光栅)、衬底620的倾斜表面、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。例如，输入耦合器630可以包括透射式体布拉格光栅(例如，位于衬底620的面向投影仪610的表面上)或反射式体布拉格光栅(例如，位于衬底620的与投影仪610相对的表面上)。输入耦合器630对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦入到衬底620中的光可以通过例如全内反射(total internal reflection，TIR)在衬底620内传播。在一些实施例中，衬底620可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底620可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(poly(methylmethacrylate)，PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如从小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底620对可见光可以是透明的。
衬底620可以包括多个输出耦合器640或可以耦接到多个输出耦合器640。每个输出耦合器640可以被配置为从衬底620提取由衬底620引导并且在衬底620内传播的光的至少一部分，并使所提取的光660指向适眼区695，其中，当增强现实***600在使用时，增强现实***600的用户的眼睛690可以位于该适眼区处。多个输出耦合器640可以复制出射光瞳，以增大适眼区695的尺寸，使得所显示的图像可以在更大的区域中可见。与输入耦合器630一样，输出耦合器640可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其它衍射光学元件(diffraction optical elements，DOE)、棱镜、部分反射器(例如，半透反射式反射镜)等。例如，输出耦合器640可以包括反射式体布拉格光栅、透射式体布拉格光栅或PVH。输出耦合器640可以在不同位置具有不同的耦合(例如，衍射)效率，使得在不同位置被耦出衬底620的光束的强度可以大致相同。衬底620和输出耦合器640还可以允许来自组合器615前方的环境的光650以很少的损失或没有损失地穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器640对于光650可以具有非常低的衍射效率，使得光650可以被折射或者通过其它方式以很小的损失穿过输出耦合器640，并且可以具有比所提取的光660高的强度。因此，用户可以能够观看组合器615前方的环境和由投影仪610投射的虚拟对象的图像的组合图像。
近眼显示器(例如，近眼显示器400、光学***500和基于波导的增强现实***600)的总效率可以是各个部件的效率的乘积，并且还可以取决于部件如何连接或布置。例如，图5的近眼显示器的总效率ηtot可以取决于图像源520的光发射效率，以及通过显示光学器件510将来自图像源520的光耦入到用户的眼睛590的效率。增强现实***600中的基于波导的显示器的总效率ηtot可以取决于图像源612的光发射效率、通过投影仪光学器件614和输入耦合器630从图像源612到组合器615中的光耦合效率、以及输出耦合器640的输出耦合效率，并且因此可以由下式来确定：
ηtot＝ηEQE×ηin×ηout
其中，ηEQE是图像源612的外部量子效率，ηin是光从图像源612进入波导(例如，衬底620)的耦入效率，ηout是光通过输出耦合器640从波导朝向用户的眼睛的耦出效率。因此，基于波导的显示器的总效率ηtot可以通过提高ηEQE、ηin和ηout中的一者或多者来提高。
外部量子效率可能受到从图像源提取光的效率的影响。例如，在图像源的光发射表面(例如，图像源和空气之间的界面)处，具有入射角大于全内反射的临界角的光可以被反射回到图像源，并且因此仅一部分由图像源生成的光可以离开图像源。通过显示光学器件从图像源到用户眼睛的光耦合效率可能受到图像源发射的光束的光束轮廓(beamprofile)的影响。例如，对于具有有限接收角(例如，具有小于20°的半宽度半幅度(half-width half-magnitude，HWHM)角)的显示***，如果由光发射器(例如，微型LED)发射的光束具有宽光束轮廓(例如，朗伯(Lambertian)发射轮廓)，则由光发射器发射的总的光中仅有一小部分可以被显示光学器件采集并被传送到用户的眼睛。在一些实施例中，为了提高从光源提取光的效率(并且因此提高外部量子效率)以及将提取的光耦合到用户的眼睛的效率，微透镜阵列可以用于减少在光发射表面处的全内反射，并且修改(例如，准直)由光发射器阵列发射的光束的光束轮廓。
图7A示出了微型OLED显示***700的示例。在所示出的示例中，微型OLED显示***700可以包括驱动层710、OLED层720、滤色器层730、微透镜阵列740、盖板玻璃760，以及将盖板玻璃760与微透镜阵列740分离的隔垫物(spacer)750。例如，驱动层710可以包括互补金属氧化物半导体(complementary metal–oxide–semiconductor，CMOS)背板(该背板包括在其上制造的像素驱动电路)、和/或位于玻璃衬底上的薄膜晶体管(thin-film transistor，TFT)电路。OLED层720可以包括由在驱动层710上的像素驱动电路控制的发射白光的微型OLED的二维阵列。例如，OLED层720中的每个微型OLED可以包括底部电极(例如，包括金属层(例如Al或Ag)的阴极)、电子传输层、有机发光层、空穴传输层和顶部电极(例如，包括氧化铟锡(indium tin oxide，ITO)层的阳极)。滤色器层730可以包括滤色器阵列，该滤色器阵列包括根据特定图案布置的红色、绿色和蓝色滤色器，并且可以将由微型OLED发射的白光转换成红光、绿光和蓝光。在一些实施例中，OLED层720可以包括直接发射红光、绿光和蓝光的微型OLED阵列，因此可以不使用滤色器层730。
微透镜阵列740可以包括在透明材料层(例如，氧化物层(例如，SiO2衬底))中制造的凸透镜阵列(例如，二维阵列)，并且可以结合到滤色器层730。微透镜阵列740中的每个微透镜可以与对应的微型OLED和/或对应的滤色器对准。微透镜可以减少在对应的微型OLED和/或对应的滤色器的光发射表面处的光反射(例如，由全内反射引起的)，并且因此可以增大从微型OLED和/或滤色器的光提取效率。微透镜还可以使从微型OLED和/或滤色器发射的光准直，使得所发射的光束可以具有较小的发射角(例如，相对于z方向在±18.5°内(例如，接近约0°))。
盖板玻璃760可以包括透明衬底(例如，包括玻璃或石英)，该透明衬底可以保护微透镜阵列740、滤色器层730和/或OLED层720。在一些实施例中，微型OLED显示***700还可以包括圆偏光片，该圆偏光片通过粘合层或隔垫物附接到盖板玻璃760。例如，圆偏光片可以阻挡从微型OLED的底部电极和/或空气与微透镜阵列740之间的界面反射的环境光。在所示出的示例中，微型OLED显示***700可以包括第一四分之一波片(quarter waveplate，QWP)770、线偏光片780和第二QWP 790，其中，线偏光片780和QWP 770或QWP 790可以形成圆偏光片，该圆偏光片可以阻挡反射光。例如，线偏光片780可以允许具有第一线偏振方向的环境光通过。QWP 770可以将线偏振光转换为圆偏振光(例如，右旋圆偏振光)。右旋圆偏振光可以被反射表面(例如，微型OLED的底部电极)反射成左旋圆偏振光。QWP 770可以将反射的左旋圆偏振光转换成具有第二线偏振方向的线偏振光，该第二线偏振方向与第一线偏振方向正交。具有第二线偏振方向的线偏振光可以被线偏光片780阻挡。
为了形成凸透镜，与微透镜阵列740相邻的介质的折射率可能需要低于微透镜阵列740的折射率。在图7A所示的示例中，隔垫物750可以用于在微透镜阵列740和盖板玻璃760之间形成空气间隙，使得微透镜阵列740可以包括凸透镜以使从微型OLED和/或滤色器发射的光准直。由于在微透镜阵列740与盖板玻璃760之间的中间介质(例如，空气)的折射率较低，因此在微透镜阵列740与空气之间的界面处可能存在菲涅耳(Fresnel)反射，并且在空气与盖板玻璃760之间的界面处也可能存在菲涅耳反射。在每个界面处的菲涅耳反射率可以是入射角和两种介质的折射率的函数，并且可以例如接近约4％。因此，由于在两个界面处的菲涅耳反射，可能存在总共约8％的损失。通过使用抗反射涂层涂覆盖板玻璃760，可以减少在空气和盖板玻璃760之间的界面处的菲涅耳反射。然而，由于微透镜阵列740的表面不平坦，因此可能难以在微透镜阵列740上形成抗反射涂层以减少在微透镜阵列740与空气之间的界面处的菲涅耳反射。此外，当微型OLED阵列的间距较小时，例如小于约20μm、小于约10μm、小于约5μm、或小于约3μm，可能难以制造微透镜阵列740中的较小的微透镜，并且难以将微透镜阵列740与滤色器层730中的滤色器和OLED层720中的微型OLED对准。所制造的微透镜可能具有更多的缺陷，这些缺陷可能降低效率和图像质量。
根据某些实施例，偏振衍射微透镜阵列可以用于近眼显示***中，以调整从光发射器件阵列(例如，微型OLED的二维阵列)发射的光束。例如，偏振衍射微透镜阵列可以包括PBP透镜二维阵列或PVH透镜二维阵列，该PBP透镜二维阵列或PVH透镜二维阵列可以是平面的并且可以以不同的方式衍射不同偏振状态的光。例如，偏振衍射微透镜可以将第一偏振状态(例如，RHCP或LHCP)的光以较大的衍射角和较高的衍射效率衍射到第一(例如，第+1)衍射级中，并且可以将第二偏振状态(例如，LHCP或RHCP)的光以不同的衍射角和较高或较低的衍射效率衍射到另一(例如，第-1或第0)衍射级中。因此，偏振衍射微透镜对于不同偏振状态的光可以具有不同的光焦度，例如在使第二圆偏振状态的光发散的同时，使第一圆偏振状态的光准直或聚焦。偏振衍射微透镜阵列可以使用双折射材料(例如，液晶聚合物层)来制备，并且因此可以被制成平坦的并且可以被结合到盖板玻璃而在其间没有气隙。由液晶聚合物层制备的偏振衍射透镜阵列的有效折射率(例如，在约1.5至1.7之间)还可以接近或匹配盖板玻璃、粘合材料(例如，光学透明粘合剂(例如，环氧树脂))、和/或微型OLED阵列(例如，微型OLED的滤色器)的折射率。因此，可以显著减少不同介质之间的界面处的菲涅耳反射。
图7B示出了根据某些实施例的包括用于光提取和光束准直的偏振衍射微透镜的微型OLED显示***702的示例。在所示出的示例中，微型OLED显示***702可以包括驱动层712、OLED层722、滤色器层732、偏振衍射微透镜阵列745和盖板玻璃762。驱动层712、OLED层722、滤色器层732和盖板玻璃762可以分别类似于驱动层710、OLED层720、滤色器层730和盖板玻璃760。如下文将更详细地描述的，偏振衍射微透镜阵列745可以包括平面透镜，例如由双折射材料(例如，液晶聚合物层)制备的PBP微透镜阵列或PVH微透镜阵列。例如，偏振衍射微透镜阵列745可以使用光学透明粘合剂(例如，环氧树脂)结合到OLED层722或滤色器层732。
在一些实施例中，偏振衍射微透镜可以通过在对准层上涂覆液晶聚合物层来制备，该对准层具有形成在其上的对准图案。对准图案可以包括用于微透镜阵列的对准图案，并且可以通过例如偏振干涉图案化、直接激光写入图案化或压印光刻来形成。可以将液晶聚合物层例如逐层地涂覆在对准层的图案化表面上，直到达到期望的厚度和/或扭曲角。可以执行固化(例如，UV固化)工艺以固化液晶聚合物层并固定液晶分子的扭曲图案。使用这些制造技术可以制造具有间距较小的液晶分子的取向图案(例如，小于约1μm至小于约100nm或更小)的较小的偏振衍射微透镜(例如，具有小于约20μm、小于约10μm或更小的直径)，该偏振衍射微透镜用于偏转较大角度的光束。
图8A为根据某些实施例的PBP光栅800的示例的x-z平面的视图。图8B为根据某些实施例的图8A中所示的PBP光栅800的示例的x-y平面的视图。在所示的示例中，PBP光栅800可以包括一对衬底810、一个或两个表面对准层820、以及液晶层830。衬底810对可见光可以是透明的。一个或多个表面对准层820可以具有预定的表面图案，使得液晶层830中的液晶分子可以根据预定的表面图案进行自对准。在一些实施例中，PBP光栅800可以包括一个衬底和附接到该衬底的固化膜，或者可以包括不需要附接到衬底的自支撑膜。
如图中所示出的，PBP光栅800中的液晶层830可以包括当在光传播方向(例如，z方向)上观看时在x-y平面中以重复旋转图案来定向的液晶分子。例如，可以通过在表面对准层820中的偏振敏感光对准材料中记录两个正交圆偏振激光束的干涉图案来产生重复旋转图案。由于液晶层830的x-y平面中的液晶分子的重复旋转图案，PBP光栅800可以具有随着位置而变化的面内单轴双折射。当光传播通过液晶层830时，由于偏振演变，具有重复旋转图案的液晶结构可能引起入射光的几何相移。在一些实施例中，可以将液晶层830中的液晶分子沿z方向扭曲以形成螺旋结构。在一些实施例中，液晶层830中的液晶分子可以不被扭曲。
PBP光栅800对于表面法向入射光的衍射效率可以由下式近似确定：
以及
其中，ηm是第m衍射级的衍射效率，Δn是液晶层830的双折射率(birefringence)，d是液晶层830的厚度，λ是入射光的波长，并且S′3＝S3/S0是与入射光的偏振的椭圆率相对应的归一化斯托克斯(Stokes)参数。因此，如果厚度d＝λ/2Δn(即，液晶层830的半波延迟)，则第零级透射率η0可以是零，并且所有入射光可以被衍射到第±1衍射级。第零级可以是与偏振无关的，而第±1衍射级可以是对S′3敏感的。例如，当入射光具有右旋圆偏振时，S′3＝+1，并且因此η+1＝0且η-1＝1，这表明通过PBP光栅800的所有入射光可以被衍射到-1衍射级中。当入射光具有左旋圆偏振时，S′3＝-1、η+1＝1且η-1＝0，这表明所有入射光都被衍射到+1衍射级。虽然m＝+1在本文中被认为是基本级(primary order)并且m＝-1被认为共轭级(conjugate order)，但这些等级的指定可以颠倒或以其它方式改变。通常，不管光栅周期Λ和厚度d如何，只有第零衍射级和两个第一衍射级是可能的。
此外，在通过PBP光栅800之后，圆偏振光的旋性可以被改变为相反的圆偏振状态，因为光可以在液晶层830中经历约半波长的相对相移。例如，在右旋圆偏振光(S3＝1)通过PBP光栅800之后，光的偏振状态(例如，在-1衍射级中)可以被改变为左旋圆偏振(S3＝-1)。在左旋圆偏振光(S3＝-1)通过PBP光栅800之后，光的偏振状态(例如，在+1衍射级中)可以改变为右旋圆偏振(S3＝1)。
PBP光栅800中的液晶分子的重复旋转图案的间距或周期Λ可以部分地确定PBP光栅800的某些光学性质。例如，间距可以根据光栅方程确定不同衍射级的衍射角。通常，对于给定波长和给定衍射级的光，间距越小，衍射角越大。
图9A示出了根据某些实施例的PBP透镜900的示例中的LC分子取向。图9B示出了根据某些实施例的PBP透镜900的一部分的LC分子取向。PBP透镜900可以由于透镜内的几何相位的梯度而将光聚焦或发散，这可以通过例如偏振全息术或直接光学写入来诱发。如图9A所示，PBP透镜900可以具有由LC分子930所创建的透镜的相位轮廓(phase profile)，该LC分子具有不同的面内取向，其中，某一位置处的相位延迟可以是该位置处的光轴(例如，LC分子930的取向)的方位角ψ(r)的函数：/>LC分子930的方位角ψ(r)可以从PBP透镜900的中心910到边缘920连续变化。液晶分子930的旋转图案的间距Λ可以从PBP透镜900的中心910到边缘920变化以改变衍射角，在该间距内LC分子930的方位角被旋转180°。因此，PBP透镜900可以具有较大的孔径尺寸，并且可以由能够引起半波延迟的薄LC层制备。
图9B中示出的PBP透镜900的部分可以沿径向方向，例如沿y轴。如图9B所示，液晶分子930的旋转图案的间距Λ可以是距中心910的距离的函数，并且可以随着距中心910的距离增加而逐渐减小。例如，中心910处的间距Λ0可以是最长的，边缘920处的间距Λr可以是最短的，并且中心910与边缘920之间的间距Λn可以在间距Λ0与间距Λr之间。因此，入射到PBP透镜900的中心区域上的光由于较长的间距而可以以较小的衍射角衍射，而入射到PBP透镜900的边缘区域上的光由于较短的间距而可以以较大的衍射角衍射。在x-y平面中，为了使PBP透镜具有半径r和焦距±f(对于RHCP光和LHCP光)，方位角ψ(r)可以是其中，λ是入射光的波长。
更具体地，LHCP光和RHCP光的琼斯(Jones)矢量可以被描述为：
其中，J+和J-分别表示LHCP光和RHCP光的琼斯矢量。对于PBP透镜，局部方位角可以根据下式变化：
以便实现中心对称的抛物线相位分布，其中ω、c、r和f分别是透镜的相对相位、角频率、真空中的光速、径向坐标和焦距。在通过PBP透镜之后，琼斯矢量可以被改变为
其中，R(ψ)和W(π)分别是旋转和延迟琼斯矩阵。从上面的等式可以看出，输出光的旋性(手性)相对于入射光被切换。另外，取决于局部方位角ψ(r)的空间变化相位被累积。此外，相位累积对于RHCP光和LHCP光具有相反的符号，并且因此PBP透镜可能会不同地修改RHCP入射光和LHCP入射光的波前。例如，PBP透镜对于RHCP光可以具有正光焦度而对于LHCP光具有负光焦度，或者反之亦然。
PBP透镜900沿z轴可以具有扭曲或非扭曲结构。沿z轴的双扭曲或多扭曲结构可以在PBP透镜900中提供消色差性能。沿z轴的非扭曲结构可以比扭曲结构更容易制造，但是可以被配置为用于单色光。在各种实施例中，PBP液晶透镜结构可以包括具有扭曲结构的一个或多个PBP液晶透镜、具有非扭曲结构的一个或多个PBP液晶透镜、或其某些组合。
图10A和图10B示出了根据某些实施例的对圆偏振光敏感的PBP透镜1000的示例。PBP透镜1000可以是偏振衍射微透镜阵列745或PBP透镜900中的偏振衍射微透镜的示例。图10A和图10B示出了PBP透镜1000在x-y平面中的LC分子取向。如上所述，PBP透镜1000的厚度可以被选择以实现半波延迟d＝λ/2Δn。PBP透镜1000可以是无源或有源透镜，并且在各种实施例中对于RHCP光或LHCP光可以具有正光焦度或负光焦度。在所示的示例中，PBP透镜1000对于RHCP光可以具有正光焦度，并且因此可以聚焦如图10A所示的准直的RHCP光1010。如上所述，输出光1012的旋性(手性)可以相对于入射的准直RHCP光1010进行切换，从而可以变为LHCP光。如图10B所示，PBP透镜1000对于LHCP光可以具有负光焦度，从而可以将准直的LHCP光1020发散。输出光1022的旋性(手性)可以变为RHCP。
在一些实施例中，对线偏振光敏感的偏振衍射微透镜可以用于提取和准直由微型LED(例如，微型OLED)发射的光。在一些实施例中，可以使用其它平坦液晶透镜来提取和准直由微型LED发射的光，其中，透镜的非零光焦度可以由折射率梯度提供，该折射率梯度是由透镜的不同区域处的液晶分子的旋转角度的变化而引起的。例如，液晶透镜可以包括向列液晶透镜、聚合物稳定向列液晶透镜、聚合物稳定蓝相液晶透镜和聚合物分散向列液晶透镜等。向列液晶可以包括棒状分子，该棒状分子由于其各向异性的分子结构而表现出光学和介电各向异性。当在LC单元中适当地配准时，向列液晶分子的长轴可以彼此大致平行，其中配准方向被称为LC指向矢。沿着LC指向矢偏振的光(异常光线(extraordinary ray))可以经历异常折射率ne，而垂直于LC指向矢偏振的光(寻常光线)可以经历寻常折射率no。如果光相对于LC指向矢以角度θ偏振，则可以看到有效折射率neff(θ)。LC分子的对准方向可以是预倾斜的，使得旋转角θ从围绕中心的大约0°(即，平面对准)平滑地改变到液晶透镜边缘上的大约90°(即，垂直或垂面(homeotropic)对准)。因此，LC透镜的边缘区域和其它区域之间的光程差(optical path difference，OPD)可以表示为：
OPD＝d(ne-neff(θ))。
因此，LC透镜可以表现出折射率梯度以创建类似透镜的相位分布，并且可以等效于具有各向同性介质的透镜，该各向同性介质在透镜的不同区域具有不同的厚度。LC透镜的焦距可以由下式给出：
其中，D是LC透镜的孔的尺寸(例如，直径)，λ是波长，Δδ是孔的边缘区域与中心区域之间的相位差，并且可以表达为：
其中，Δn是孔的中心区域和边缘区域之间的折射率的差。因此，LC透镜的焦距可以改写为：
其中，r是LC透镜的孔的半径。当中心区域的折射率小于边缘区域的折射率时，Δn为负，因此f为负。
可以通过例如非均匀电场、非均匀LC形态、光对准、微摩擦、与摩擦组合的非均匀表面聚合、表面聚合物网络的创建、易轴的梯度或锚定能量等来引入LC指向矢的折射率梯度和预倾斜角的梯度。在一些实施方式中，液晶透镜可以包括衍射光学元件(例如，菲涅耳透镜)，并且衍射光学元件的区域(例如，菲涅耳区)可以通过图案化的LC对准或通过掺杂预聚物的LC层的相分离图案化来形成。对准图案可以通过例如光对准来创建。
如上所述，近眼显示***的总效率可以是显示***中的各个部件的效率的乘积，并且还可以取决于这些部件如何耦接在一起。例如，图5的近眼显示器的总效率ηtot可以取决于图像源520的光发射效率，以及通过显示光学器件510从图像源520到用户的眼睛590的光耦合效率。当光发射器阵列中的光发射器的发射角被均匀地控制(例如，被准直以具有较小的发射锥体)时，由光发射器发射的光可能不会被均匀地采集并传送到显示***的适眼区。例如，由光发射器阵列的边缘附近的光发射器发射的光可以以低于由光发射器阵列的中心处的光发射器发射的光的效率被采集，并且被传送到显示***的适眼区，这可能导致所显示图像的非均匀强度或亮度变化。因此，从光发射器阵列边缘处的光发射器发射的光可能需要与从光发射器阵列中心处的光发射器发射的光不同地进行偏转。
图11A示出了基于微型LED的显示***1100的示例，该显示***包括微型LED阵列1110(例如，包括微型OLED的一维阵列或二维阵列)和显示光学器件1120。图11B示出了光从微型LED阵列1110入射到显示光学器件1120上的角度。如示例中所示出的，由于显示***1100的出射光瞳1130(或适眼区)具有有限的视场(或接受角)和/或尺寸，因此来自微型LED阵列1110中的各自微型LED的光的不同角度部分可以穿过显示***1100的出射光瞳1130。例如，如图11B中的线1140所示，来自微型LED阵列1110中心处的微型LED的、可能到达用户的眼睛的光束的主光线可以以大约0°入射到显示光学器件1120上，而来自微型LED阵列1110边缘处的微型LED的、可能到达用户的眼睛的光束的主光线可以以例如大约20°入射到显示光学器件1120上，这可以被称为主光线离散(walk-off)。线1142和线1144示出了来自微型LED阵列1110中的各自高度处的每个微型LED的、可以到达用户的眼睛的光的角度范围。当来自每个微型LED的光束的光强度在所有方向上不均匀(例如，具有窄光束轮廓)时，由于来自微型LED阵列1110中的各自微型LED的、穿过出射光瞳1130的光的不同角度部分，来自不同微型LED的光可以不同的效率投射到用户的眼睛。
图11C示出了由微型LED阵列1110发射的、可以由显示光学器件1120采集并投射到用户的眼睛的光束的部分的示例。如上所述，在由微透镜准直之后，从微型LED阵列1110中的每个微型LED发射的光束的光束轮廓1150可以具有较小的HWHM角度(例如，大约20°或大约15°)。由于显示***1100的出射光瞳具有有限的接受角和/或有限的尺寸，因此仅每一光束的一部分可以通过显示光学器件1120到达用户的眼睛。此外，由于上述的主光线离散，因此对于如图11A和图11C所示的每个各自的微型LED，每一光束的可以到达用户的眼睛的部分可以在各自不同的角度范围内。每一光束的总功率可以由表示光束的光束亮度轮廓的光束轮廓1150下方的总面积来指示，而可以到达用户的眼睛的每一光束的总功率可以由光束轮廓1150下方的明亮区域(bright region)1160的总面积来指示，该明亮区域的面积可以仅是光束轮廓1150下方的总面积的一部分。对于在微型LED阵列1110的中心处的微型LED，由于光束的窄光束轮廓，明亮区域1160的面积可以是光束轮廓1150下方的总面积的较大部分，因而在微型LED阵列1110的中心处的微型LED可以具有较高的耦合效率。然而，如图11C所示，对于在微型LED阵列1110的边缘处的微型LED，明亮区域1160的面积可以仅是光束轮廓1150下方的总面积的较小部分。换句话说，明亮区域1160的面积并且因此微型LED阵列1110中的微型LED的耦合效率可以从微型LED阵列1110的中心到边缘显著减小。因此，为了提高所显示图像的强度或亮度的均匀性，从微型LED阵列1110的边缘处的微型LED发射的光可能需要与从微型LED阵列1110的中心处的微型LED发射的光不同地偏转。
一种使由不同微型LED发射的光不同地偏转的技术是使用微透镜阵列，该微透镜阵列包括用于至少一些微型LED的偏心微透镜。例如，微透镜阵列的间距可以与微型LED阵列的间距不同，或者微透镜阵列可以以其他方式相对于微型LED阵列中心偏移，使得由阵列中的每个微型LED发射的光束不仅可以被准直或聚焦，而且还可以朝向显示光学器件偏转各自的角度。
图12A示出了包括微型OLED阵列和微透镜阵列1240的微型OLED器件1200的示例，该微透镜阵列用于提取并会聚来自微型OLED阵列的光。如上所述，微型OLED阵列可以包括驱动层1210、OLED层1220和滤色器层1230。尽管在图12A中未示出，但是微型OLED器件1200也可以包括盖板玻璃和隔垫物，该隔垫物将微透镜阵列1240与盖板玻璃分离，如上文参考图7A所描述的。驱动层1210可以包括例如CMOS背板，该CMOS背板包括在其上制造的像素驱动电路和/或在玻璃衬底上的薄膜晶体管(TFT)电路。OLED层1220可以包括由驱动层1210中的像素驱动电路控制的发射白光的微型OLED的阵列。OLED层1220中的每个微型OLED可以包括例如底部电极(例如，包括金属层(例如Al或Ag)的阴极)、电子传输层、有机发光层、空穴传输层和顶部电极(例如，包括ITO层的阳极)。滤色器层1230可以包括滤色器阵列，该滤色器阵列包括根据特定图案布置的红色、绿色和蓝色滤色器，并且可以将由微型OLED发射的白光转换成红光、绿光和蓝光。在一些实施例中，OLED层1220可以包括可直接发射红光、绿光和蓝光的微型OLED阵列，因此可以不使用滤色器层1230。
微透镜阵列1240可以直接形成在微型OLED阵列上，或可以形成在衬底上然后结合到微型OLED阵列。例如，微透镜阵列1240可以在介电层(例如，氧化物层(例如，SiO2层))中被蚀刻，或者可以在沉积在微型OLED阵列上的介电层(例如，氧化物层或聚合物层)上形成。微透镜的焦距和距对应微型OLED的距离可以被配置成使得光束在穿过每个微透镜之后可以是准直光束、会聚光束或发散光束。
微型OLED阵列的间距1222可以不同于(例如，小于或大于)微透镜阵列1240的间距1242，因此微透镜阵列1240中的每个微透镜的光轴1244可以从微型OLED阵列中的各自微型OLED的中心偏移不同的距离。因此，来自每个微型OLED的光束的主光线1250在穿过相应的微透镜之后可以具有各自不同的角度。在图12A所示的示例中，微型OLED阵列的间距1222可以大于微透镜阵列1240的间距1242，因此微透镜阵列1240中的每个微透镜的光轴可以从微型OLED阵列中的各自微型OLED的中心偏移不同的距离。该偏移量可以是微透镜的位置的函数。例如，偏移量可以随着微透镜距微型OLED器件1200的中心的距离的增加而线性增加。结果，如示例中所示出的，从微型LED提取的光束的主光线1250在穿过对应的微透镜之后可以在不同的方向上传播，并且可以会聚。
在各种实施例中，微透镜阵列1240的间距可以是均匀的或非均匀的。例如，二维微透镜阵列的间距在两个正交方向上可以是均匀的、仅在一个方向上是均匀的、或者在两个方向上是不均匀的。间距在两个正交方向上也可以是相同的或不同的。微透镜阵列1240的间距在一维或二维上可以不同于微型OLED阵列的间距。
图12B示出了由微型OLED器件1200的微型OLED阵列发射的光束的、可以由显示光学器件(例如，显示光学器件1120)采集的部分的示例。如图所示，在由微透镜准直之后，从微型OLED阵列中的每个微型OLED发射的光束的光束轮廓1260可以具有较小的HWHM角(例如，大约20°、大约15°或更小)。每一光束的总功率可以由表示光束的光束亮度轮廓的光束轮廓1260下方的总面积来指示。由于上文关于图12A所述的主射线角的调整，每一光束的可以到达用户的眼睛的部分可以在类似的角度范围内，其中对于如图12B中的明亮区域1270所示的每个各自的微型OLED，光束的该部分可以具有最高的强度或亮度。因此，如光束轮廓1260下方的明亮区域1270的总面积所指示的，可以到达用户的眼睛的每一光束的总功率可以是大致相同的并且可以是较高的。因此，由微型OLED阵列中的微型OLED发射的光的耦合效率从微型OLED阵列的中心到边缘可以大致相同。因此，可以提高微型OLED阵列中的微型OLED的耦合效率和均匀性。
使用上述偏心微透镜来重定向所发射的光可能需要精确的像素级对准(因而可能难以制造)，并且可能由于某些几何形状限制而具有有限的偏转角。例如，为了使发射的光束偏转较大的角度，微透镜阵列中的微透镜的中心可能需要从光发射器件阵列中的对应的光发射器件的中心偏移较大的量，这可能由于光发射器件阵列和微透镜阵列的小尺寸和小间距而导致串扰和/或相反的偏转。
图13A示出了微型OLED器件1300的示例。在所示出的示例中，如上文关于例如图7A所述的，微型OLED器件1300可以包括驱动层1310、OLED层1320、滤色器层1330、微透镜阵列1340、盖板玻璃1360、隔垫物1350以及偏光片1370，该隔垫物将微透镜阵列1340与盖板玻璃1360分离。驱动层1310可以包括例如CMOS背板，该CMOS背板包括在其上制造的像素驱动电路和/或在玻璃衬底上的薄膜晶体管(TFT)电路。OLED层1320可以包括由驱动层1310上的像素驱动电路控制的发射白光的微型OLED的阵列。OLED层1320中的每个微型OLED可以包括例如底部电极、电子传输层、有机发光层、空穴传输层和顶部电极。滤色器层1330可以包括滤色器阵列，该滤色器阵列包括根据特定图案布置的红色、绿色和蓝色滤色器，并且可以将OLED层1320中的微型OLED发射的白光转换成红光、绿光和蓝光。
隔垫物1350可以用于在微透镜阵列1340和盖板玻璃1360之间形成空气间隙，使得微透镜阵列1340可以包括凸透镜以准直来自微型OLED和/或滤色器的光。盖板玻璃1360可以包括透明衬底(例如，包括玻璃或石英)，该透明衬底可以保护微透镜阵列1340、滤色器层1330和/或OLED层1320。偏光片1370可以包括圆偏光片，该圆偏光片可以阻挡例如从微型LED的底部电极和/或空气与微透镜阵列1340之间的界面反射的环境光。如上文关于图7A所述的，偏光片1370可以包括第一四分之一波片(QWP)、线偏光片和可选的第二QWP。例如，偏光片1370可以允许右旋圆偏振光穿过。右旋圆偏振光可以被反射表面(例如，底部电极)反射成左旋圆偏振光，并且可以被偏光片1370阻挡。
微透镜阵列1340可以包括在透明材料层中制造的凸透镜阵列，并且可以结合到滤色器层1330。微型OLED阵列的间距可以不同于(例如，小于或大于)微透镜阵列1340的间距，因此微透镜阵列1340中的每个微透镜的光轴可以从微型OLED阵列中的各自微型OLED的中心偏移不同的距离。因此，来自每个微型OLED的光束的主光线在穿过相应的微透镜之后可以是不同的。在图13A所示的示例中，微型OLED阵列的间距可以大于微透镜阵列1340的间距，因此微透镜阵列1340中的每个微透镜的光轴可以从微型LED阵列中的各自微型OLED的中心偏移不同的距离。为了以较大角度重定向主光线，微透镜的光轴与各自微型OLED的中心之间可能需要较大的偏移量。因此，一些微透镜(例如，微透镜1342)可以与两个相邻微型OLED部分重叠，并且可以将由该两个相邻微型OLED发射的光束偏转到大致相反的方向上。一些微型OLED(例如，微型OLED 1322)可以与两个相邻微透镜至少部分重叠，因此由微型OLED 1322发射的光束可以由两个相邻微透镜偏转到大致相反的方向上。因此，在由不同微型OLED发射的光束之间和/或来自微型OLED的光束由两个微透镜进行的相反偏转之间可能存在串扰。
根据某些实施例，本文所公开的偏振衍射微透镜阵列可以具有不同的相位轮廓，例如轴上球面透镜的相位轮廓、轴上自由曲面透镜的相位轮廓、离轴自由曲面透镜的相位轮廓或其组合，以使由不同光发射源发射的光束成形为不同的发射锥，从而使光提取效率和***总效率最大化，而无需将偏振衍射微透镜阵列相对于微型OLED阵列进行物理移位。例如，偏振衍射微透镜阵列可以与光发射器件阵列中心对准，而不是偏离光发射器件的中心，同时将光发射器件发射的光束偏转到不同的期望方向。因此，如上文关于图13A所述的，与平凸微透镜相关联的串扰和/或相反偏转可以被避免。
图13B示出了根据某些实施例的包括用于光提取和光束成形的偏振衍射微透镜的微型OLED器件1305的示例。在所示出的示例中，微型OLED器件1305可以包括驱动层1315、OLED层1325、滤色器层1335、偏振衍射微透镜阵列(例如，二维阵列)1345、盖板玻璃1365和偏光片1375。驱动层1315、OLED层1325、滤色器层1335、盖板玻璃1365和偏光片1375可以分别类似于驱动层1310、OLED层1320、滤色器层1330、盖板玻璃1360和偏光片1370。可以使用例如光学透明粘合剂(optically clear adhesive)将偏振衍射微透镜阵列1345结合到OLED层1325或滤色器层1335。
如上所述，每个偏振衍射微透镜可以包括平面透镜，例如由双折射材料(例如液晶聚合物)制成的PBP微透镜。偏振衍射微透镜阵列1345的偏振衍射微透镜可以具有相同的焦距。每个偏振衍射微透镜的中心可以与OLED层1325中对应的微型OLED的中心对准。一些偏振衍射微透镜可以具有轴上球面或自由曲面透镜的相位轮廓，其中，偏振衍射微透镜的中心可以在偏振衍射微透镜的光轴上，使得所发射的光束的主光线可以平行于光轴(例如，在z方向上)。一些偏振衍射微透镜可以具有离轴球面或自由曲面透镜的相位轮廓，其中，偏振衍射微透镜的中心可以不在偏振衍射微透镜的光轴上，使得所发射的光束的主光线可以相对于光轴(例如，z方向)倾斜。
在一些实施例中，微型OLED阵列可以包括像素阵列，其中，像素阵列的每个像素可以包括被配置为发射红光或包括允许红光通过的滤色器的微型LED、被配置为发射绿光或包括允许绿光通过的滤色器的微型LED、以及被配置为发射蓝光或包括允许蓝光通过的滤色器的微型LED。像素中的三个微型LED的三个偏振衍射微透镜的相位轮廓可以被配置为对衍射光学设备的色散效应进行不同地补偿，使得三个偏振衍射微透镜可以使由同一像素中的三个微型LED发射的光束的主光线偏转大致相同的偏转角，因此像素的不同颜色分量可以会聚于用户的视网膜的相同区域上，以形成清晰的图像。
图13C示出了根据某些实施例的偏振衍射微透镜阵列1345的示例。偏振衍射微透镜阵列1345中的偏振衍射微透镜可以具有相同的焦距，但可以在每一偏振衍射微透镜的中心与光轴之间具有各自不同的偏移量。在图13C所示的示例中，在偏振衍射微透镜阵列1345的中心的偏振衍射微透镜1345-a可以具有轴上透镜的相位轮廓，并且可以是径向对称的，因此输出光束的主光线可以平行于光轴(例如，在z方向上)。如图13B所示，偏振衍射微透镜阵列的左边部分中的偏振衍射微透镜1345-b可以具有离轴透镜的相位轮廓，其中，偏振衍射微透镜1345-b的光轴可以在偏振衍射微透镜1345-b的中心的右边，因此入射光束的主光线可以通过偏振衍射微透镜1345-b向右偏转。如图13B所示，偏振衍射微透镜阵列1345的右边部分中的偏振衍射微透镜1345-c也可以具有离轴透镜的相位轮廓，其中，偏振衍射微透镜1345-c的光轴可以在偏振衍射微透镜1345-c的中心的左边，因此入射光束的主光线可以通过偏振衍射微透镜1345-c向左偏转。因此，图13C所示的偏振衍射微透镜阵列1345的示例可以使来自微型OLED的光束的主光线会聚(如图13B中所示)，并且可以用于例如微型OLED阵列的尺寸大于显示光学器件的孔径的显示***中。
在另一示例中，偏振衍射微透镜1345-b可以在偏振衍射微透镜阵列1345的右边部分，并且由于偏振衍射微透镜1345-b的光轴可以在偏振衍射微透镜1345-b的中心的右边，因此入射光束的主光线可以通过偏振衍射微透镜1345-b向右偏转。偏振衍射微透镜1345-c可以在偏振衍射微透镜阵列1345的左边部分，并且由于偏振衍射微透镜1345-c的光轴可以在偏振衍射微透镜1345-c的中心的左边，因此入射光束的主光线可以通过偏振衍射微透镜1345-c向左偏转。因此，偏振衍射微透镜阵列1345可以使得来自微型OLED的光束的主光线发散，并且可以用于例如显示光学器件的孔径大于微型OLED阵列的显示***中。
图14示出了根据某些实施例的偏振衍射微透镜阵列1400的示例。偏振衍射微透镜阵列1400中的偏振衍射微透镜可以具有相同的焦距，但在每个偏振衍射微透镜的中心和光轴之间可以具有各自不同的偏移量。在一个示例中，偏振衍射微透镜阵列1400中的偏振衍射微透镜可以为偏振衍射透镜1405的不同部分，偏振衍射透镜1405具有比偏振衍射微透镜阵列1400的每个偏振衍射微透镜更大的孔径，且具有与偏振衍射微透镜阵列1400的每个偏振衍射微透镜相同的焦距。例如，偏振衍射微透镜1410可以是偏振衍射透镜1405的中心部分，并且可以具有轴上透镜的相位轮廓。偏振衍射微透镜1420可以具有离轴透镜的相位轮廓，并且可以是偏振衍射透镜1405的右边部分，其中，偏振衍射微透镜1420的光轴可以在偏振衍射微透镜1420的中心的左边，使得偏振衍射微透镜1420可以将入射光束的主光线向左偏转。偏振衍射微透镜1430可以具有离轴透镜的相位轮廓，并且可以是偏振衍射透镜1405的左边部分，其中，偏振衍射微透镜1430的光轴可以在偏振衍射微透镜1430的中心的右边，使得偏振衍射微透镜1420可以将入射光束的主光线向右偏转。
图15A至图15D示出了根据某些实施例的制造本文所公开的偏振衍射微透镜的工艺的示例。在图15A所示的示例，可以使用例如旋涂或喷涂将光对准材料1520(例如，包括光固化单体材料)涂覆在衬底1510的表面上，以形成光对准材料层。在一个示例中，光对准材料可以包括溶解在二甲基甲酰胺(dimethylformamide，DMF)中的亮黄(brilliant yellow，BY)。在涂覆之后，可以通过例如在升高的温度(例如，大于约100℃)下烘烤来干燥光对准材料层以去除溶剂。光对准材料层可以具有例如约10nm至约50nm的厚度。
图15B示出了光对准材料层可以暴露于由两个重叠的圆偏振光束1530和1532产生的干涉图案，以在衬底1510上形成对准层1522。例如，圆偏振光束1530和1532可以包括左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束，并且可以以期望的入射角入射到光对准材料层的相同区域上，以产生期望的偏振干涉图案并将偏振干涉图案记录在光对准材料层中。可以选择两个圆偏振光束的入射角以在对准层中实现期望的周期性和图案。将光对准材料层暴露于干涉图案可以使得光对准材料的光固化单体在干涉图案的明亮区域处聚合以形成聚合链。因此，对准层1522中的对准图案的取向可以根据干涉图案在对准层上变化。
图15C示出了双折射材料层1542可以例如通过旋涂或喷涂沉积在对准层1522上。双折射材料1542可以包括光学各向异性分子(例如，液晶分子)和可固化稳定材料(例如，光固化单体或聚合物)。例如，双折射材料1542可以包括与光固化单体或聚合物混合的液晶分子，以形成可聚合液晶反应性介晶(reactive mesogen，RM)。双折射材料的双折射率可以大于约0.1、大于约0.15、大于约0.2或更大。在一些实施例中，双折射材料还可以包括光引发剂、手性掺杂剂和/或二向色染料。沉积在对准层上的双折射材料层中的光学各向异性分子可以与对准层中的对准图案对准。在一些实施例中，双折射材料层中的光学各向异性分子可以形成螺旋结构。
图15D示出了双折射材料层可以被固化以固定可固化稳定材料，这可以使双折射材料层中的液晶分子稳定。在一个示例中，固化可以通过使用均匀紫外(ultraviolet，UV)光束1560曝光双折射材料层来执行，以聚合光固化单体或交联聚合物以形成交联聚合物。具有通过交联聚合物稳定或固定的光学各向异性分子的双折射材料层可以形成偏振衍射透镜。在一些实施例中，可以将多层液晶反应性介晶层1550逐层涂覆在对准层1522上，直到获得期望的厚度和/或扭曲角(例如，为了实现高衍射效率的半波延迟)，然后可以使用均匀UV光束1560来固化多个液晶反应性介晶层1550。在一些实施例中，图15C和图15D所示的操作可以在多个周期中执行，其中，可以在每个周期中对液晶反应性介晶层进行涂覆和固化，直到获得期望的厚度和/或扭曲角。
图15E示出了使用直接激光写入技术(例如，单光子激光制造技术或双光子聚合(two-photon polymerization，TPP)技术)来图案化对准层1522的工艺的示例。在所示的示例中，包括超快激光脉冲(例如，约100fs)的激光束1534可以使用高数值孔径物镜聚焦到光对准材料层中，以使光固化单体聚合或使聚合物交联以在激光束的焦点处形成交联聚合物。在一些实施例中，激光束1534可以被偏振。激光束1534可以根据对准层的期望图案扫描穿过光对准材料层。
图16A至图16D示出了根据某些实施例的制造本文所公开的偏振衍射微透镜的工艺1600的示例。在图16A所示的示例中，可以使用例如旋涂或喷涂将负性光刻胶或其它UV或可热固化聚合物材料(例如光固化聚氨酯、可热固化环氧树脂和光固化丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯)涂覆在衬底1610的表面上，以形成光刻胶层1620。光刻胶层可以具有例如约10nm至约50nm的厚度。在一个示例中，负性光刻胶可以包括SU-8 2000(微量化学)。在一些实施例中，可以在压印之前烘烤光刻胶层1620。
图16B示出了可以执行纳米压印光刻(nanoimprint lithography，NIL)工艺以在光刻胶层1620中形成对准图案。NIL技术由于相对简单和快速的工艺而可以提高产率并降低成本。在一些示例中，具有与对准层中的期望图案相同或相似的图案的母模(mastermold)可以通过例如基于双光子聚合的直接激光写入技术来制备。可以由母模来模制软印模，例如透明的聚合物二甲基硅氧烷(polymer dimethylsiloxane，PDMS)印模。软印模可以具有与对准层中期望图案互补的图案。例如，可以使用辊1630将软印模定位在光刻胶层1620上并压在其上，使得光刻胶层1620可以具有形成在其中的期望图案。然后，光刻胶层1620可以通过UV光例如通过透明PDMS印模来固化，以引发交联聚合反应。在一些实施例中，可以对光刻胶层1620施加热量以促进聚合。在固化之后，软印模可以逐渐从光刻胶层1620剥离，并且包括形成于其中的图案的剩余光刻胶层1620可以用作对准层1622。在一些实施例中，在软印模被剥离之后，光刻胶层1620可以再次进行UV固化和/或可以进行烘烤。
图16C示出了双折射材料层1642可以例如通过旋涂或喷涂沉积在对准层1622上，如上文关于例如图15C所述的。双折射材料可以包括例如与光固化单体或聚合物混合的液晶分子，以形成可聚合的液晶反应性介晶。在一些实施例中，双折射材料还可以包括光引发剂、手性掺杂剂和/或二向色染料。沉积在对准层上的双折射材料层中的光学各向异性液晶分子可以与对准层1622中的图案对准。在一些实施例中，双折射材料层中的光学各向异性液晶分子可以形成螺旋结构。
图16D示出了双折射材料层可以被固化以固定可固化稳定材料，这可以使双折射材料层中的液晶分子稳定。在一个示例中，固化可以通过使用均匀UV光束1660曝光双折射材料层来执行，以聚合光固化单体或交联聚合物以形成交联聚合物。具有通过交联聚合物稳定或固定的光学各向异性液晶分子的双折射材料层可以形成偏振衍射透镜。在一些实施例中，可以将多个液晶反应性介晶层1650逐层涂覆在对准层1622上，直到获得期望的厚度和/或扭曲角(例如，为了获得高衍射效率的半波延迟)，然后可以使用均匀UV光束1660来固化多个液晶反应性介晶层1650。在一些实施例中，图16C和图16D所示的操作可以在多个周期中执行，其中，可以在每个周期中对液晶反应性介晶层进行涂覆和固化，直到获得期望的厚度和/或扭曲角。
图17包括示出了根据某些实施例的制造微型LED器件的工艺的示例的流程图1700。应当注意的是，图17中所示的操作提供了用于制造微型LED器件的特定工艺。根据替代实施例，也可以执行其它操作序列。例如，替代实施例可以以不同的顺序执行操作。此外，图17所示出的各个操作可以包括多个子操作，这些子操作可以以适合于各个操作的各种顺序来执行。此外，可以根据特定应用添加或移除一些操作。在一些实现方式中，可以并行地执行两个或更多个操作。本领域技术人员将认识到许多变化、修改和替换。
流程图1700的方框1710中的操作可以包括获得层叠置体，该层叠置体包括驱动电路、微型LED阵列(例如，二维阵列)以及可选地滤色器阵列。驱动电路可以形成在CMOS背板和/或TFT层上，并且可以包括用于驱动各个微型LED的像素驱动电路。微型LED阵列可以包括例如微型OLED或III-V族半导体微型LED。在一些实施例中，微型LED阵列的间距可以小于约20μm、小于约10μm或小于约5μm。在一些实施例中，微型LED阵列可以包括发射白光的微型OLED阵列(例如，二维阵列)和滤色器阵列(例如，二维阵列)，该滤色器阵列包括红色、绿色和蓝色滤色器。在一些实施例中，微型LED阵列可以包括微型OLED二维阵列，该微型OLED二维阵列可以固有地发射红光、绿光和蓝光。每个微型OLED可以包括例如底部电极(例如，包括金属层(如Al或Ag)的阴极)、电子传输层、有机发光层、空穴传输层和顶部电极(例如，包括ITO层的阳极)。在一些实施例中，微型LED阵列可以包括可以直接发射红光、绿光和蓝光的III-V族半导体微型LED的二维阵列。微型LED阵列可以形成像素的二维阵列，其中，每个像素可以包括第一微型LED、第二微型LED和第三微型LED，第一微型LED被配置为发射第一波长范围内的光(例如，红光)，第二微型LED被配置为发射第二波长范围内的光(例如，绿光)，第三微型LED被配置为发射第三波长范围内的光(例如，蓝光)。
在方框1720处的操作可以包括在衬底(例如，玻璃衬底)上或在层叠置体上形成对准层。在一些实施例中，衬底可以用作盖板玻璃。如上文关于例如图15A、15B、15E、16A和16B所述的，可以通过例如偏振干涉图案化、直接激光写入图案化或压印光刻在衬底上形成对准层。例如，可以在衬底上涂覆光对准材料层，该光对准材料层包括溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中的亮黄(BY)，并且可以使用如上文关于图15B所述的由两个正交的圆偏振光束(例如，左旋圆偏振光束和右旋圆偏振光束)产生的偏振干涉图案或者使用如上文关于图15E所述的直接激光写入技术，来对光对准材料层进行图案化。在另一示例中，如上文关于图16A和图16B所述的，负性光刻胶可以被涂覆在衬底上，然后可以通过纳米压印和UV固化来图案化。
在方框1730处的操作可以包括将一层或多层液晶材料涂覆在对准层上。液晶材料可以包括与光固化单体或聚合物混合的液晶分子，以形成可聚合的液晶反应性介晶。在一些实施例中，液晶材料还可以包括光引发剂、手性掺杂剂和/或二向色染料。涂覆在对准层上的液晶材料中的液晶分子可以与对准层中的图案对准。在一些实施例中，液晶分子可以被扭曲以形成螺旋结构。
在方框1740处的操作可以包括例如使用UV光来固化液晶材料的一层或多层，以形成偏振衍射微透镜阵列。固化可以使液晶材料中的光固化单体或交联聚合物聚合，以形成可以使液晶分子稳定的交联聚合物。在一些实施例中，可以将液晶材料的一层或多层逐层涂覆在对准层上，直到达到期望的厚度和/或扭曲角(例如，为了实现高衍射效率的半波延迟)，然后可以使用UV光来固化液晶材料的一层或多层。在一些实施例中，液晶材料层可以被涂覆和固化，然后液晶材料的另一层可以被涂覆和固化，直到达到期望的厚度和/或扭曲角。
在方框1750处的可选操作可以包括如果在层叠置体上未形成对准层，则将偏振衍射微透镜阵列结合到层叠置体。例如，偏振衍射微透镜阵列可以使用光学透明粘合剂结合到层叠置体的微型LED阵列或滤色器阵列。
在方框1760处的可选操作可以包括如果在盖板玻璃上未形成对准层，则将盖板玻璃附接到粘接结构。可使用光学透明粘合剂将盖板玻璃附接到粘接结构。在方框1770处的可选操作可以包括例如使用粘合剂和/或隔垫物将圆偏光片附接到盖板玻璃。如上所述，在一些实施例中，圆偏光片可以包括线偏光片和至少一个四分之一波片。
本文公开的实施例可以用于实现人工现实***的部件，或者可以结合人工现实***来实现。人工现实是在呈现给用户之前已以某种方式进行了调整的现实形式，该人工现实可以包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实(mixed reality)、混合现实(hybridreality)、或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与采集的(例如真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且任何一种人工现实内容都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如，为观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、配件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、配件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如，执行人工现实中的活动)。提供人工现实内容的人工现实***可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主控计算机***的HMD、独立的HMD、移动设备或计算***、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
图18为用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的近眼显示器(例如，HMD设备)的电子***1800的示例的简化框图。电子***1800可以用作HMD设备或上述其它近眼显示器的电子***。在该示例中，电子***1800可以包括一个或多个处理器1810和存储器1820。一个或多个处理器1810可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如适合于实现位于便携式电子设备内的通用处理器或微处理器。一个或多个处理器1810可以与电子***1800内的多个部件通信地耦接。为了实现这种通信耦接，一个或多个处理器1810可以跨总线1840与所示出的其它部件通信。总线1840可以是适于在电子***1800内传输数据的任何子***。总线1840可以包括多个计算机总线和附加电路以传输数据。
存储器1820可以耦接到一个或多个处理器1810。在一些实施例中，存储器1820可以提供短期存储和长期存储这两者，并且可以被划分为若干单元。存储器1820可以是易失性的，例如静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)，和/或存储器1820可以是非易失性的，例如只读存储器(read-only memory，ROM)、闪存等。另外，存储器1820可以包括可移除存储设备，例如安全数字(secure digital，SD)卡。存储器1820可以为电子***1800提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的存储。在一些实施例中，存储器1820可以分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器1820上。这些指令可以采用可以由电子***1800可执行的可执行代码的形式，和/或可以采用源代码和/或可安装代码的形式，在电子***1800上(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)对这些指令进行编译和/或安装时，可以采用可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器1820可以存储多个应用程序模块1822至1824，这些应用程序模块可以包括任何数量的应用。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频播放应用或其它合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1822至1824可以包括待由一个或多个处理器1810执行的特定指令。在一些实施例中，某些应用或应用模块1822至1824的某些部分能够由其它硬件模块1880执行。在某些实施例中，存储器1820可以附加地包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止复制安全信息或对安全信息的未经授权的其它访问。
在一些实施例中，存储器1820可以包括加载在该存储器中的操作***1825。操作***1825可以进行操作以启动执行应用模块1822至1824提供的指令和/或管理其它硬件模块1880以及具有无线通信子***1830的接口，该无线通信子***可以包括一个或多个无线收发器。操作***1825可以适用于跨电子***1800的多个部件执行其它操作，这些操作包括线程化、资源管理、数据存储控制和其它类似功能。
无线通信子***1830可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(例如，设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子***1800可以包括用于无线通信的一个或多个天线1834，该一个或多个天线作为无线通信子***1830的一部分或作为耦接到该***的任何部分的单独部件。取决于期望的功能，无线通信子***1830可以包括单独的收发器，以与基站收发台以及其它无线设备和接入点通信，这可以包括与不同数据网络和/或网络类型进行的通信，这些数据网络和/或网络类型为例如无线广域网(wireless wide-area network，WWAN)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)或无线个人域网(wireless personal areanetwork，WPAN)。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其它类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子***1830可以允许与网络、其它计算机***和/或本文描述的任何其它设备交换数据。无线通信子***1830可以包括用于使用一个或多个天线1834和一个或多个无线链路1832发送或接收数据(例如，HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的器件。无线通信子***1830、一个或多个处理器1810和存储器1820可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的器件中的一个或多个器件的至少一部分。
电子***1800的实施例还可以包括一个或多个传感器1890。一个或多个传感器1890可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，将加速度计和陀螺仪结合的模块)、环境光传感器、或可操作用来提供感官输出和/或接收感官输入的任何其它类似的模块，该模块为例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，一个或多个传感器1890可以包括一个或多个惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)和/或一个或多个位置传感器。基于接收到的来自多个位置传感器中的一个或多个位置传感器的测量信号，IMU可以生成指示HMD设备相对于HMD设备的初始位置的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、一种用于IMU的误差校正的传感器、或其任何组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或其任何组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。
电子***1800可以包括显示模块1860。显示模块1860可以是近眼显示器，并且可以将来自电子***1800的信息(例如，图像、视频和各种指令)图形化地呈现给用户。这些信息可以从一个或多个应用模块1822至1824、虚拟现实引擎1826、一个或多个其它硬件模块1880、它们的组合、或用于为用户解析图形内容(例如，通过操作***1825)的任何其它合适的器件中得到。显示模块1860可以使用LCD技术、LED技术(包括，例如，OLED、ILED、μLED、AMOLED、TOLED等)、光发射聚合物显示(light emitting polymer display，LPD)技术或一些其它显示技术。
电子***1800可以包括用户输入/输出模块1870。用户输入/输出模块1870可以允许用户向电子***1800发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用或执行应用内的特定动作。用户输入/输出模块1870可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括：触控屏、触控板、一个或多个麦克风、一个或多个按钮、一个或多个旋钮、一个或多个开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并且向电子***1800传送接收到的动作请求的任何其它合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块1870可以根据从电子***1800接收到的指令将触觉反馈提供给用户。例如，可以在动作请求被接收到或已经被执行时提供触觉反馈。
电子***1800可以包括相机1850，该相机可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，以用于跟踪用户眼睛位置。相机1850还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，以用于VR应用、AR应用或MR应用。相机1850可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，相机1850可以包括可以用于采集3D图像的两个或更多个相机。
在一些实施例中，电子***1800可以包括多个其它硬件模块1880。其它硬件模块1880中的每个硬件模块可以是电子***1800内的物理模块。尽管其它硬件模块1880中的每个硬件模块可以被永久地配置为结构，但是其它硬件模块1880中的一些硬件模块可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其它硬件模块1880的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(near field communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理***、有线/无线电池充电***等等。在一些实施例中，其它硬件模块1880的一种或多种功能可以以软件来实现。
在一些实施例中，电子***1800的存储器1820还可以存储虚拟现实引擎1826。虚拟现实引擎1826可以执行电子***1800内的应用，并且接收来自各种传感器的HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置、或其任何组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎1826接收的信息可以用于向显示模块1860生成信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，那么虚拟现实引擎1826可以为HMD设备生成反应用户在虚拟环境中活动的内容。此外，虚拟现实引擎1826可以响应于接收到的来自用户输入/输出模块1870的动作请求而执行应用内的动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，一个或多个处理器1810可以包括可以执行虚拟现实引擎1826的一个或多个图形处理单元(graphic processing unit，GPU)。
在各种实施方式中，以上描述的硬件和模块可以在单个设备上实现或可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，可以在与头戴式显示设备分离的控制台上实现一些部件或模块，例如GPU、虚拟现实引擎1826和应用(例如，跟踪应用)。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到多于一个HMD或支持多于一个HMD。
在替代的配置中，不同的和/或附加的部件可以包括在电子***1800中。类似地，这些部件中的一个或多个部件的功能可以以与以上描述的方式不同的方式分布在这些部件之中。例如，在一些实施例中，可以将电子***1800修改为包括其它***环境，例如AR***环境和/或MR环境。
以上论述的方法、***和设备均为示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代的配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行所描述的方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。实施例中的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术在发展，因此许多元件都是示例，这些示例并不会将本公开的范围限制在那些特定示例中。
在描述中给予了许多具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下来实践实施例。例如，为了避免模糊实施例，已经在不具有非必要细节的情况下示出众所周知的电路、过程、***、结构和技术。本描述仅提供了多个示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，以上对实施例的描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
此外，一些实施例描述为流程图或框图的过程。尽管每个过程都可以将多个操作描述为顺序过程，但这些操作中的许多操作可以并行或同时执行。此外，这些操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行多个相关任务的程序代码或多个代码段可以存储在计算机可读介质(例如，存储介质)中。处理器可以执行该多个相关任务。
对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以根据具体要求做出实质性变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序等)或这两者中实现多个特定元素。此外，可以采用与例如网络输入/输出设备的其它计算设备的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂态(non-transitory)机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供数据的任何存储介质，该数据使机器以特定方式运行。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其它一个或多个设备提供指令/代码以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携载这些指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理的和/或有形的存储介质。这种介质可以采用多种形式，这些形式包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括磁介质和/或光介质，例如光盘(compact disk，CD)或数字多用光盘(digital versatile disk，DVD)、穿孔卡、纸带、具有多个孔图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(programmable read-onlymemory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)、FLASH-EPROM、任何其它存储芯片或盒式存储器(cartridge)、如下文所描述的载波、或任何其它介质(计算机可以从该介质中读取指令和/或代码)。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，该代码和/或机器可执行指令可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域技术人员将理解的是，用于传达本文所描述的消息的信息和信号可以使用多种不同科技和技术中的任一种来表示。例如，整个上述描述中可能引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以使用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或粒子或其任意组合来表示。
如本文所使用的，术语“和”和“或”可以包括多种含义，其中，也至少部分地基于使用这些术语时的语境来预料这些含义。通常，“或”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则旨在表示A、B和C(此处用于包括性意义)以及A、B或C(此处用于排它性意义)。此外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用于描述多个特征、多个结构或多个特性的某种组合。然而，应当注意的是，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则可以解释为A、B和/或C的任意组合(例如，AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等)。
此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合对某些实施例进行了描述，但是应当认识到的是，硬件和软件的其它组合也是可行的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用它们的组合来实现。在一个示例中，软件可以使用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可以由一个或多个处理器执行，从而执行本公开中描述的步骤、操作或过程中的任何或所有，其中，计算机程序可以存储在非暂态计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器或以任意组合的不同处理器上实现。
在器件、***、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过如下来完成：通过设计多个电子电路来执行该操作，通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程来执行该操作(例如通过执行计算机指令或代码)或通过被编程的多处理器或内核来执行存储在非暂态存储介质上的代码或指令来执行该操作，或它们的任意组合。进程可以使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于进程间通信的传统技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一进程在不同的时间可以使用不同的技术。
因此，说明书和附图将被认为是说明性的，而非限制性的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求中所阐述的更广泛的精神和范围的情况下，还可以进行添加、减去、删除以及其它修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些具体实施例并不旨在为限制性的。各种修改和等同物均落入所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种微型发光二极管器件，所述微型发光二极管器件包括：
背板，所述背板包括形成在其上的驱动电路；
微型发光二极管阵列，所述微型发光二极管阵列结合到所述背板，并电耦接到所述驱动电路；
偏振衍射微透镜阵列，所述偏振衍射微透镜阵列结合到所述微型发光二极管阵列并包括平坦表面，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜的中心与所述微型发光二极管阵列中相应的微型发光二极管的中心对准；以及
盖板玻璃，所述盖板玻璃结合到所述偏振衍射微透镜阵列的平坦表面。
2.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列被配置为对所述微型发光二极管阵列发射的光束进行准直。
3.根据权利要求2所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列被配置为使由所述微型发光二极管阵列发射的光束的主光线偏转不同的偏转角，所述偏转角从所述微型发光二极管器件的中心到所述微型发光二极管器件的边缘逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的偏振衍射微透镜的光轴从所述偏振衍射微透镜的中心偏移。
5.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中：
所述偏振衍射微透镜阵列中的第一偏振衍射微透镜的特征在于所述第一偏振衍射微透镜的光轴与所述第一偏振衍射微透镜的中心之间的第一偏移量；以及
所述偏振衍射微透镜阵列中的第二偏振衍射微透镜的特征在于所述第二偏振衍射微透镜的光轴与所述第二偏振衍射微透镜的中心之间的第二偏移量，其中，所述第二偏移量与所述第一偏移量不同。
6.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜的特征在于第一圆偏振状态的光具有正光焦度，第二圆偏振状态的光具有负光焦度。
7.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列包括PBP微透镜。
8.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜包括：
对准层，所述对准层包括形成在其上的对准图案；以及
液晶分子，所述液晶分子根据所述对准图案进行排列。
9.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述微型发光二极管阵列的间距等于所述偏振衍射微透镜阵列的间距。
10.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述微型发光二极管阵列包括：
微型有机发光二极管阵列，所述微型有机发光二极管阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；
III-V族半导体微型发光二极管阵列，所述III-V族半导体微型发光二极管阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；或
滤色器阵列和微型有机发光二极管阵列，所述微型有机发光二极管阵列被配置为发射白光。
11.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，其中，所述微型发光二极管阵列包括像素阵列，所述像素阵列中的每个像素包括：
第一微型发光二极管，所述第一微型发光二极管被配置为发射第一波长范围内的光；
第二微型发光二极管，所述第二微型发光二极管被配置为发射第二波长范围内的光；以及
第三微型发光二极管，所述第三微型发光二极管被配置为发射第三波长范围内的光，
其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的三个偏振衍射微透镜被配置为使由所述第一微型发光二极管、所述第二微型发光二极管以及所述第三微型发光二极管发射的光束的主光线偏转相同的偏转角。
12.根据权利要求1所述的微型发光二极管器件，还包括圆偏光片。
13.一种近眼显示***，所述近眼显示***包括：
图像源，所述图像源被配置为产生显示光，所述图像源包括：
背板，所述背板包括形成在其上的驱动电路；
微型发光二极管阵列，所述微型发光二极管阵列结合到所述背板，并电耦接到所述驱动电路；
偏振衍射微透镜阵列，所述偏振衍射微透镜阵列与所述微型发光二极管阵列对准并包括平坦表面，其中，所述偏振衍射微透镜阵列的间距等于所述微型发光二极管阵列的间距；以及
盖板玻璃，所述盖板玻璃结合到所述偏振衍射微透镜阵列的平坦表面；以及显示光学器件，所述显示光学器件被配置为将由所述图像源发射的显示光投射到所述近眼显示***的适眼区。
14.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述偏振衍射微透镜阵列被配置为使由所述微型发光二极管阵列发射的光束的主光线以不同的入射角引导到所述显示光学器件。
15.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述偏振衍射微透镜阵列被配置为使由所述微型发光二极管阵列发射的光束的主光线偏转不同的偏转角，所述偏转角从所述图像源的中心到所述图像源的边缘逐渐增大。
16.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的偏振衍射微透镜的光轴从所述偏振衍射微透镜的中心偏移。
17.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述偏振衍射微透镜阵列包括多个PBP微透镜，所述多个PBP微透镜中的每个PBP微透镜的特征在于第一圆偏振状态的光具有正光焦度，第二圆偏振状态的光具有负光焦度。
18.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述偏振衍射微透镜阵列中的每个偏振衍射微透镜包括：
对准层，所述对准层包括形成在其上的对准图案；以及
液晶分子，所述液晶分子根据所述对准图案进行排列。
19.根据权利要求13所述的近眼显示***，其中，所述微型发光二极管阵列包括：
微型有机发光二极管阵列，所述微型有机发光二极管阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；
III-V族半导体微型发光二极管阵列，所述III-V族半导体微型发光二极管阵列被配置为发射红光、绿光和蓝光；或
滤色器阵列和微型有机发光二极管阵列，所述微型有机发光二极管阵列被配置为发射白光。
20.根据权利要求13所述的近眼显示***，还包括圆偏光片，所述圆偏光片位于所述图像源与所述显示光学器件之间。
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