TW202334683A - 自體發光顯示面板 - Google Patents

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基斯 帕特森
麥克斯韋 帕森斯
朱塞佩 卡拉菲奧雷
錫祖均
永丹 胡
志民 錫
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美商元平台技術有限公司
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Abstract

本發明提供一種自體發光顯示面板，其包括光子積體電路層，該光子積體電路層包括波導陣列及用於經由該面板之像素耦出該照明光之部分的耦出器陣列。該自體發光顯示面板可包括藉由該光子積體電路層背光之透明電子電路系統層；這些兩個層可位於相同基板上或位於界定填充有電活性材料之一單元的相對基板上。該配置允許主光線工程、區域性照明及利用紅色、綠色及藍色照明光之分別照明。

Description

自體發光顯示面板
本揭示內容係關於電光裝置，且特定言之，係關於視覺顯示面板及其製造方法。 相關申請案之參考
本申請案主張於2021年12月10日申請且名稱為「背板嵌入式光子積體電路」之美國臨時申請案第63/288,342號、於2021年12月13日申請且名稱為「背板嵌入式光子積體電路」之美國臨時申請案第63/288,920號及於2022年5月10日申請之美國非臨時申請案第17/741,404號的優先權，所有這些申請案以全文引用之方式併入本文中。
視覺顯示器向檢視者提供包括靜態影像、視訊、資料等之資訊。視覺顯示器在多樣化領域（包括娛樂、教育、工程、科學、專業訓練、廣告）中具有應用，僅舉幾個實例。諸如電視機之一些視覺顯示器向若干使用者顯示影像，且諸如近眼顯示器（near-eye display；NED）之一些視覺顯示系統意欲用於個別使用者。
人工實境系統通常包括經配置以向使用者呈現內容之NED，例如耳機或一副眼鏡。近眼顯示器可顯示虛擬物件或組合真實物件與虛擬物件之影像，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由觀察「組合器」組件來檢視與周圍環境疊置的虛擬物件之影像（例如，電腦產生之影像或CGI）。可穿戴顯示器之組合器典型地對外部光為透明的，但包括某一光路由光學件，以將顯示光引導入使用者之視場中。
由於HMD或NED之顯示器通常穿戴於使用者之頭部上，因此帶有較重電池之大型、龐大、不平衡及較重顯示器裝置將為繁瑣的，且使用者佩戴起來不舒適。因此，頭戴式顯示器裝置可得益於緊湊及高效的配置，包括提供顯示面板之照明之高效光源及照明器、高通量準直器及影像形成元件串中之其他光學元件。
本發明的一態樣為一種自體發光顯示面板，其包含：第一基板；光子積體電路層，其由該第一基板支撐，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列；電子電路系統層，其由該光子積體電路層支撐；及像素化電極層，其包含像素電極陣列，其中該電子電路系統層配置以用於將電信號施加至該像素電極陣列；其中該光子積體電路層包含耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至該波導陣列以用於經由該電子電路系統層及經由該像素電極陣列耦出該照明光之部分。
如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板進一步包含：第二基板，其與該第一基板相對；背板電極層，其由該第二基板支撐，該像素化電極層及該背板電極層界定一單元；及電活性層，其位於該單元中；其中在操作中，這些照明光部分依序經由該電子電路系統層、這些像素電極、該電活性層、該背板電極層及該第二基板傳播。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，該電活性層包含液晶。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，該耦出器陣列包含形成於該波導陣列中之光柵。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，這些光柵傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，該耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，該照明光包含複數個色彩通道；該波導陣列中之各波導配置以傳送該複數個色彩通道中之各色彩通道；且該耦出器陣列中之各耦出器配置成以實質上相同之主光線角度耦出該複數個色彩通道中之各色彩通道。
在如本發明的態樣所述之自體發光顯示面板中，該波導陣列包含複數個子陣列，其中各子陣列經配置以攜載該照明光之該複數個色彩通道中之特定色彩通道。
本發明的另一態樣為一種自體發光顯示面板，其包含：相對的第一基板及第二基板；光子積體電路層，其由該第一基板支撐，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列；背板電極層，其由該光子積體電路層支撐；電子電路系統層，其由該第二基板支撐；像素化電極層，其包含像素電極陣列，其中該電子電路系統層配置以將電信號施加至該像素電極陣列，該像素化電極層及該背板電極層界定一單元；及電活性層，其位於該單元中；其中該光子積體電路層包含耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至該波導陣列以用於經由該背板電極層、該電活性層及該像素電極陣列耦出該照明光之部分。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該電活性層包含液晶。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該耦出器陣列包含形成於該波導陣列中之光柵。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，這些光柵傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該照明光包含複數個色彩通道；該波導陣列中之各波導配置以傳送該複數個色彩通道中之各色彩通道；且該耦出器陣列中之各耦出器配置成以實質上相同之主光線角度耦出該複數個色彩通道中之各色彩通道。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該波導陣列包含複數個子陣列，其中各子陣列配置以攜載該照明光之該複數個色彩通道中之特定色彩通道。
在如本發明的另一態樣所述之自體發光顯示面板中，該波導陣列包含複數個子陣列，各子陣列耦合至用於照明該像素電極陣列中之特定幾何區域的光束分光器。
本發明的又一態樣為一種製造自體發光顯示面板之方法，該方法包含：在犧牲基板上形成電子電路系統層，該電子電路系統層包含像素化電極層，該像素化電極層包含像素電極陣列；將第一基板接合至該電子電路系統層；移除該犧牲基板；提供光子積體電路層，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列及耦合至該波導陣列以用於耦出該照明光之部分的耦出器陣列；藉由提供與該第一基板呈固定相隔關係之第二基板來形成一單元，該第二基板支撐背板電極層，其中該像素化電極層面向該單元，且其中在操作中，這些照明光部分經由該像素電極陣列傳播；及用電活性材料填充該單元。
在如本發明的又一態樣之方法中，該光子積體電路層形成於該第一基板上且當該單元形成時面向該單元。
在如本發明的又一態樣之方法中，該電子電路系統層安置於該光子積體電路層與該電活性材料之間。
在如本發明的又一態樣之方法中，該光子積體電路層形成於該第二基板上且當該單元形成時面向該單元。
雖然結合各種具體實例及實例描述本教示，但並不意欲本教示限於此類具體實例。相反，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本揭示內容之原理、態樣及具體實例以及其特定實例之所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效物兩者。另外，希望此類等效物包括當前已知等效物以及未來開發之等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發之執行相同功能之任何元件。
如本文中所使用，術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序次序，而是除非明確陳述，否則意欲將一個元件與另一元件區分開。類似地，除非明確陳述，否則方法步驟之順序次序並不暗示其執行之順序次序。在圖1A、圖1B及圖2至圖4中，類似數字指類似元件。
解析度、功率消耗及外觀尺寸為AR顯示器中之重要效能因素。微型LED顯示器（μLED）具有高亮度之優勢，但此類顯示器之效率隨著像素大小減小而快速下降。此外，歸因於紅色及藍色/綠色LED所需之不同材料，實現單面板全色彩μLED顯示器可具有挑戰性。因此，可能需要使用用於彩色顯示應用之三個分別μLED投影儀，此導致三倍之光引擎大小及重量。另一途徑為使用由照射至微機電系統（microelectromechanical system；MEMS）掃描反射器上之雷射或超輻射發光二極體（superluminescent light-emitting diode；SLED）產生的2D掃描光束。然而，驅動器及圖形處理控制器為相當複雜且能量消耗的，且總體可達成解析度可受掃描鏡大小限制。
基於矽上之向列或鐵電液晶（分別為LCoS及FLCoS）之微型顯示面板提供可用於近眼顯示器（諸如虛擬實境或擴增實境顯示器）中之光引擎的替代解決方案。隨著新鐵電液晶材料之改進，小於1.5微米（降至350奈米）之像素大小變得可能。然而，不同於發光顯示器，(F)LCoS顯示器需要向系統添加大小及重量之額外照明光學件，諸如偏光光束分光器。
(F)LCoS顯示面板之後一限制可藉由將照明電路系統直接整合至(F)LCoS基板上來克服。光子積體電路（PIC）層可提供於互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor；CMOS）晶片之積體電路系統層上，從而提供自體發光顯示面板。此外，PLC技術可適於提供所謂主光線工程能力。PLC技術可用於將由各像素發射之光束之主光線朝向共同準直元件引導，導致總體大小及/或漸暈損失之顯著減小，及顯示設備之整體壁插效率的增加。此外，PIC技術可提供諸如用於較高感知對比度及功率節省的顯示面板的區域性照明的特徵。此外，CMOS技術可適於提供具有實質上透明像素區域之電路系統，從而提供更多種CMOS PLC照明配置且打開至透明或半透明自體發光顯示器的路徑。
根據本揭示內容，提供一種自體發光顯示面板，其包含：第一基板；光子積體電路（PIC）層，其由第一基板支撐，PIC層包含用於導引照明光之波導陣列；電子電路系統層，其由PIC層支撐；及像素化電極層，其包含像素電極陣列。電子電路系統層經配置以用於將電信號施加至像素電極陣列。PIC層包含耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至波導陣列以用於經由電子電路系統層及經由像素電極陣列耦出照明光之部分。
自體發光顯示面板可進一步包括：第二基板，其與第一基板相對；背板電極層，其由第二基板支撐，像素化電極層及背板電極層界定單元；及電活性層，其位於單元。在操作中，照明光部分可依序經由電子電路系統層、像素電極、電活性層、背板電極及第二基板傳播。電活性層可包括液晶。
在一些具體實例中，耦出器陣列包含形成於波導陣列中之光柵。光柵可傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之照明光之部分的主光線角度。在一些具體實例中，耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之照明光之部分的主光線角度。
在照明光包含複數個色彩通道之具體實例中，波導陣列中之各波導可配置以傳送複數個色彩通道中之各色彩通道。耦出器陣列中之各耦出器可配置成以實質上相同之主光線角度耦出複數個色彩通道中之各色彩通道。在一些具體實例中，波導陣列包含複數個子陣列，且各子陣列可配置以攜載照明光之複數個色彩通道中之特定色彩通道。
根據本揭示內容，提供一種自體發光顯示面板，其包含：第一及第二相對基板；光子積體電路（PIC）層，其由第一基板支撐，PIC層包含用於導引照明光之波導陣列；背板電極層，其由PIC層支撐；電子電路系統層，其由第二基板支撐；像素化電極層，其包含像素電極陣列，其中電子電路系統層配置以將電信號施加至像素電極陣列，像素化電極層及背板電極層界定單元；及電活性層，其位於單元中。PIC層可包括耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至波導陣列以用於經由背板電極層、電活性層及像素電極陣列耦出照明光之部分。電活性層可包括液晶。
在耦出器陣列包含形成於波導陣列中之光柵的具體實例中，光柵可傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之照明光之部分的主光線角度。在一些具體實例中，耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之照明光之部分的主光線角度。
在照明光包含複數個色彩通道之具體實例中，波導陣列中之各波導可配置以傳送複數個色彩通道中之各色彩通道。耦出器陣列中之各耦出器可配置成以實質上相同之主光線角度耦出複數個色彩通道中之各色彩通道。
在波導陣列包含複數個子陣列之具體實例中，各子陣列可配置以攜載照明光之複數個色彩通道中之特定色彩通道。各子陣列可耦合至用於照明像素電極陣列中之特定幾何區域的光束分光器。
根據本揭示內容，進一步提供一種製造自體發光顯示面板之方法。方法包含：在犧牲基板上形成電子電路系統層，電子電路系統層包含像素化電極層，像素化電極層包含像素電極陣列；將第一基板接合至電子電路系統層；移除犧牲基板；提供光子積體電路（PIC）層，光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列及耦合至波導陣列以用於耦出照明光之部分的耦出器陣列；藉由提供與第一基板呈固定相隔關係之第二基板來形成單元，第二基板支撐背板電極層，其中像素化電極層面向單元，且其中在操作中，照明光部分經由像素電極陣列傳播；及用電活性材料填充單元。
PIC層可形成於第一基板上且當單元形成時面向單元。電子電路系統層可安置於PIC層與電活性材料之間。PIC層可形成於第二基板上以在單元形成時面向單元。
現參考圖1A，自體發光顯示面板100包括由第一基板104支撐之電子電路系統層102，例如形成於矽基板上之CMOS電路系統層。電子電路系統層102可包括用於獨立地控制顯示面板100之個別像素的電子閘極103。顯示面板100之像素由像素化電極層106界定，該像素化電極層包括像素電極陣列107。
光子積體電路（PIC）層108可形成於電子電路系統層102上，安置於電子電路系統層102上，及/或由電子電路系統層102支撐。PIC層108可包括波導陣列109，例如在像素電極陣列107下運行且配置以用於導引由以光學方式耦合至波導109之可選半導體光源112發射的照明光110之單模或少模脊型波導。在本文中，術語「少模波導」指代支撐至多12個側向傳播模式之波導。半導體光源112可為例如超輻射發光二極體、雷射二極體或此類二極體陣列。PIC層108支撐像素化電極層106。
PIC層108可包括耦出器陣列111，例如，以光學方式耦合至波導陣列109以用於經由像素電極陣列107耦出照明光110之部分110A的光柵耦出器，從而為顯示面板100提供自體發光能力。在本文中，與需要外部光源將光自外部照射在面板上以進行操作之反射或透射顯示面板相對，術語「自體發光（self-lighting）」或「自體發光（self-lit）」意謂顯示面板之像素由內部照明或光導引結構自內部照明。耦出器111關於像素電極107對齊，例如一個耦出器111可直接安置於一個像素電極107下。
在圖1A中所展示之具體實例中，顯示面板100包括與第一基板104相對安置之第二基板120及由第二基板120支撐之背板電極層122。像素化電極層106及背板電極層118界定單元116，典型地自1至9微米厚之平面平行單元。電活性層124，例如向列或鐵電液晶流體層，可填充單元116。電活性層124回應於由像素化電極層106及背板電極層118施加之電場。本文中，術語「回應於電場」意謂電活性層124藉由施加電場來改變其影響照明光110之部分110A之光學屬性（諸如偏光狀態）的屬性。
第二基板120對照明光110之部分110A為透明的。在所說明之具體實例中，PIC層108安置於電子電路系統層102與像素化電極層106之間，且將此等兩個層電分離。為了將電子閘極103電耦合至各別像素電極107，可提供導電通孔陣列114，從而允許電子電路系統層之閘極103將電信號施加至各別像素電極107。如圖1B中最佳所見，通孔陣列114可以一定距離自電子電路系統層102延伸穿過陣列波導109與像素電極陣列107之間的PIC層108，該距離大到足以實質上不干擾波導109及耦出器111之光學功能。
在操作中，由耦出器111自波導109耦出之照明光部分110A依序經由像素電極107、電活性層124、背板電極層122及透明第二基板120傳播。部分110A之光學屬性（例如，其偏光狀態）可藉由將信號施加至閘極103而以空間選擇性方式控制，這些閘極經由通孔114電耦合至各別像素電極107以改變施加至電活性層124之各別部分的局部電場。耦出之照明光部分110A的空間變化之偏光狀態可藉由下游偏光器轉換為光功率密度分佈，為簡潔起見圖中未示。照明光部分110A之光功率密度分佈對應於由顯示面板100顯示之影像。
參考圖2，自體發光顯示面板200類似於圖1A和圖1B之自體發光顯示面板100，且包括類似元件。圖2之自體發光顯示面板200包括：電子電路系統層102，其由透明第一基板204（例如玻璃、藍寶石、晶體等）支撐；PIC層108，其位於電子電路系統層102上；像素化電極層106，其位於PIC層108上，其中通孔114經由如上文所描述之PIC層108將像素化電極層106電耦合至電子電路系統層102。由像素化電極層106及背板電極層118界定之單元116填充有電活性層124。第二基板120支撐包括背板電極122之背板電極層118。
可在電子閘極103之間的像素電極107下之區域202中移除不透明基板材料，使得具有電子電路系統層102之第一基板204對像素電極107之區域中之入射光為透明的。透明基板204及透明電子電路系統層102使得自體發光顯示面板200能夠用於各種應用中，諸如且不限於擴增實境（AR）應用，其中藉由照明光110之耦出部分110A形成的影像光需要與來自周圍環境之外部光組合。將在下文進一步考慮製造透明基板204上之電子電路系統層102的方法。
參考圖3，自體發光顯示面板300類似於圖2之自體發光顯示面板200，且包括類似元件。在圖3之自體發光顯示面板300中，調換由第一基板204支撐的層堆疊中的電子電路系統層102及PIC層108的位置，亦即，透明第一基板204支撐PIC層108，PIC層108又支撐電子電路系統層102。此類配置不需要通孔，此係由於像素化電極層106可直接耦合至電子電路系統層102，從而允許電子電路系統之閘極103將電信號施加至各別像素電極107。總構造經簡化，此係由於通孔製造將許多步驟添加至製造製程。
在操作中，藉由耦出器陣列111而自波導109耦出之照明光部分110A依序經由電子電路系統層102（特定言之經由對於照明光部分110為透明之區域202）、像素化電極層106、電活性層124、背板電極層118，經由第二基板120及自體發光顯示面板300之外傳播。為簡潔起見圖中未示之準直器可接收照明光部分110A且將由自體發光顯示面板300顯示之線性域中的影像轉換成角度域中之影像。本文中，術語「角度域中之影像」意謂其中線性或空間域中之影像的不同元件（亦即，由顯示面板顯示之影像之像素）由影像光之對應光線之角度表示的影像，這些光線攜載對應於影像像素之亮度及/或色彩值的光功率位準及/或色彩組成。
現參考圖4，自體發光顯示面板400類似於圖3之自體發光顯示面板300，且包括類似元件。在圖4之自體發光顯示面板400中，電子電路系統層102移動至另一基板；換言之，第一基板204支撐支撐背板電極層118之PIC層108，而第二基板120支撐電子電路系統層102，該電子電路系統層支撐像素化電極層106（反向展示於圖4中）。像素化電極層106及背板電極層118界定單元116，其中電活性層124安置於單元116中，如先前具體實例中。
在操作中，藉由複數個耦出器111自波導109耦出之照明光部分110A依序經由背板電極122、電活性層124、像素電極107、電子電路系統層102（更具體言之，經由透明區域202）及第二透明基板120傳播，且進一步至未說明之準直/成像光學件。
參考圖5，製造本揭示內容之自體發光顯示面板之方法500包括在犧牲基板上形成（502）電子電路系統層，例如，在矽基板上形成CMOS電子電路系統層。視預期顯示操作需要，電子電路系統層可包括像素控制閘極、連接、通孔、包括像素電極陣列之像素化電極層等。所形成電子電路系統層自電子電路系統層之相對側接合（504）至第一基板，例如玻璃或藍寶石透明基板。接著例如藉由蝕刻來移除（506）犧牲基板。
可清除（508）來自像素化電極下之不透明材料，且所得結構可回填或平面化（510）以形成透明區域，諸如圖2之自體發光顯示面板200、圖3之自體發光顯示面板300或圖4之自體發光顯示面板400之像素電極下的區域202。接著可提供（512）PIC層。PIC層可安置於如例如圖3之自體發光顯示面板300中之平坦化電子電路系統層（圖5中之「EC層」）上。電子電路系統層可置放於如例如圖4之自體發光顯示面板400中之單元之另一基板上。如上文參考圖1A至圖4所解釋，所形成PIC層可包括用於導引照明光之波導陣列，及耦合至用於耦出照明光之部分之波導陣列的外耦接器陣列。單元可接著藉由提供與第一基板呈固定相隔關係之第二基板而形成（514），該第二基板支撐背板電極層。單元由面向如圖1A至圖4之顯示面板中之單元中之電極界定。單元可接著用電活性材料（諸如，例如向列或鐵電LC流體）填充（516）。
在一些具體實例中，例如在圖2之自體發光顯示面板200中及圖3之自體發光顯示面板300中，PIC層形成於第一基板上，從而在單元形成時面向單元。在此類具體實例中，電子電路系統層可安置於PIC層與電活性材料之間。在一些具體實例中，如在例如圖4之自體發光顯示面板400中，PIC層可形成於第二基板上，在單元形成時面向單元。
藉由具有波導及耦出器陣列之PIC結構獲得之自體發光屬性實現將個別耦出之照明光部分之主光線引導至預定義位置，例如引導至準直元件（諸如準直透鏡、所謂主光線工程）之位置。在本文中，術語「主光線」係指相較於表示光束之光線風扇中之其他光線的攜載大部分發射光能的光線。應注意，如本文中所定義之術語「主光線」未必經由光學系統之中心傳播。
針對非限制性說明性實例參考圖6A，局部視圖中所展示之顯示設備650A包括以光學方式耦合至準直器630之自體發光顯示面板600A。自體發光顯示面板600A包括由各別像素電極界定之像素陣列，如上文分別參考圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示器100、200、300、400所描述。各像素將待由共同準直器630準直之光錐發射至準直光束中。準直器630安置成遠離自體發光顯示面板600A一個焦距。換言之，自體發光顯示面板600A安置於準直器630之焦平面632中。關於X軸之準直光束之角度取決於發射像素之x座標。舉例而言，自體發光顯示面板600A之像素601A發射光錐或發散光束602A，該發散光束藉由準直器630以關於X軸之角度 β準直成準直光束604A。
自體發光顯示面板600A之各像素發射光錐，其中主光線垂直於自體發光顯示面板600A之平面或XY平面，亦即，其中主光線與XY平面之間的角度 α等於90度。換言之，藉由像素發射之大部分光能沿著如用虛線606所指示之Z軸傳播。可見，外部光線（準直器630之各側上之兩個外部光線）被截取且並不經由準直器630傳播，此係因為在此實例中，準直器630小於自體發光顯示面板600A。此將導致自體發光顯示面板600A所顯示之影像的漸暈。
現參考圖6B，顯示設備650B包括以光學方式耦合至準直器630之自體發光顯示面板600B。自體發光顯示面板600B包括由各別像素電極界定之像素陣列，如上文分別參考圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示器100、200、300、400所描述。各像素發射待由共同準直器630準直之光錐，該準直器安置成遠離自體發光顯示面板600B一個焦距。關於X軸之準直光束之角度取決於像素之x座標。舉例而言，自體發光顯示面板600B之像素601B發射光錐或發散光束602B，該發散光束藉由準直器630以關於X軸之角度 β準直成準直光束604B。由自體發光顯示面板600B之不同像素發射之發散光束之主光線角度取決於X座標，以將主光線引導朝向準直器630。舉例而言，如在圖6A中，發散光束602B傾斜且不筆直。此使得能夠避免或顯著地減少由自體發光顯示面板600B顯示之影像的漸暈。應進一步注意，在第一近似中，準直光束604B之角度 β不受主光線之傾斜角 α影響，此係因為角度 β僅取決於像素座標。由自體發光顯示面板600B之像素發射之光束之主光線的所需引導可藉由配置耦出器陣列111來達成（圖1A、圖2、圖3及圖4），該耦出器陣列耦合至波導陣列109以用於以在空間上自一個像素電極107至另一像素電極107變化之主光線角度經由像素電極陣列107耦出照明光110之部分110A，例如以將所有光線穿過準直器。應進一步注意，耦出器111亦可配置以控制耦出之照明光部分之發散光束602B的錐角，亦即所發射光錐602B的角寬。
現將呈現本揭示內容之自體發光顯示面板中之任一者之耦出器111的非限制性實例。配置可用於主光線工程，且可經最佳化以用於均勻照明、出射光瞳控制等。首先參考圖7A，耦出器711A包括在PIC層之脊型波導之核心704中經蝕刻的光柵結構702A。光柵結構702A之週期或間距可經選擇以以所要耦出角度將照明光之部分朝向電活性層耦出。光柵結構702A之蝕刻深度可在空間上變化以提供在空間上變化之耦出效率。
在圖7B中，耦出器711B包括由間隔物層706支撐之光柵結構702B，該間隔物層由脊型波導之核心704支撐。光柵結構702B之週期或間距可經選擇以以所要耦出角度將照明光之部分朝向電活性層耦出。間隔物層706之厚度可在空間上變化以提供在空間上變化之耦出效率。
現參考圖7C，耦出器711C類似於圖7A之耦出器711A。圖7C之耦出器711C包括在PIC層之脊型波導之核心704中經蝕刻的傾斜光柵結構702C。光柵結構702C之傾斜使得能夠改變（增加或減少）進入選定繞射階之光能之量。
參考圖7D，耦出器711D類似於圖7C之耦出器711C。圖7D之耦出器711D包括在PIC層之脊型波導之核心704中經蝕刻的二元傾斜光柵結構702D。二元傾斜光柵結構702D可藉由一連串直線蝕刻步驟獲得。在圖7A至圖7D中，光柵結構702A至702D可提供於各別脊波導之頂部及/或底部上。光柵結構702A至702D之間距可經線性調頻（chirp）以控制錐角，亦即，耦出之照明光部分之角展度。
現參考圖8A，耦出器811A類似於圖7A之耦出器711A，且包括類似元件。在PIC層之脊型波導之核心804中經蝕刻之光柵結構802A在PIC層之平面中（亦即，在XY平面中）傾斜，以在垂直於核心804之方向上（例如，朝向準直器）重引導對應耦出之照明光部分之主光線以減少漸暈且改良如上文參考圖6A及圖6B已解釋之光利用率效率。更一般而言，經蝕刻光柵結構可在兩個平面中（亦即在垂直於PIC層平面（XY平面）之圖7C之平面（XZ平面）中及在圖8A之平面（XY平面）中）傾斜，以在兩個正交方向上重引導主光線。經蝕刻光柵結構802A亦可經線性調頻以用於錐角控制。
參考圖8B，耦出器811B包括在脊型波導中經蝕刻之光柵802B、由光柵802B支撐之可選間隔物層806及由間隔物層806支撐之奈米結構陣列808。奈米結構陣列808可配置以提供所需主光線角度、光錐寬度等。
參考圖8C，耦出器811C包括奈米天線802C，該奈米天線經定形及大小設定以提供自脊型波導之核心804耦出之照明光部分的所需角錐寬度及主光線角度。奈米天線802C之長度 L及寬度W以及奈米天線802B之材料可經選擇以提供所需耦出強度及角特性，例如歸因於奈米天線802C由其幾何形狀及材料界定之電磁諧振。奈米天線802B可為介電質或金屬的（電漿子）。長度 L及寬度W典型地小於一微米。可提供奈米天線陣列802C，其中陣列之列耦合至個別脊波導。此外，在圖7A至圖7D及圖8A至圖8C之耦出器的所有實例中，耦出器之相關參數可在空間上變化以提供如上文參考圖6A及圖6B解釋之在空間上變化之主光線角度。
現將描述本揭示內容之自體發光顯示面板中之PIC層的例示性色彩照明配置。圖9A為PIC層908A之俯視圖，該PIC層908A為分別圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示面板100、200、300及400中之任一者之PIC層108的變體。圖9A之PIC層908A包括波導陣列905A，該波導陣列包括複數個子陣列，各子陣列經配置以攜載照明光之複數個色彩通道中之特定色彩通道。具體言之，在此實例中，波導陣列905A包括用於傳送紅色通道之照明光之紅色波導子陣列904R、用於傳送綠色通道之照明光之綠色波導子陣列904G及用於傳送藍色通道之照明光之藍色波導子陣列904B。紅色子陣列904R、綠色子陣列904G及藍色子陣列904B在共同平面（亦即，XY平面）中交錯且彼此平行運行，如圖9A中所展示。紅色波導子陣列904R之波導包括用於耦出照明光之部分的複數個光柵耦出器902R；綠色波導子陣列904G之波導包括用於耦出綠色照明光之部分的複數個光柵耦出器902G；及藍色波導子陣列904B之波導包括用於耦出藍色照明光之部分的複數個光柵耦出器902B。
參考圖9B，PIC層908B為分別圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示面板100、200、300及400中之任一者之PIC層108的變體。圖9B之PIC層908B包括波導陣列905B，該波導陣列包括複數個子陣列，各子陣列經配置以攜載照明光之複數個色彩通道中之特定色彩通道。具體言之，在此實例中，波導陣列905B包括用於傳送紅色通道之照明光之紅色波導子陣列904R、用於傳送綠色通道之照明光之綠色波導子陣列904G及用於傳送藍色通道之照明光之藍色波導子陣列904B。如所展示，紅色子陣列904R、綠色子陣列904G及藍色子陣列904B之波導在PIC層908B中以不同z深度彼此行進。紅色波導子陣列904R、綠色子陣列904G及藍色子陣列904B之波導包括分別用於耦出紅色照明光910R、綠色照明光910G及藍色照明光910B之部分的複數個光柵耦出器902R、902G及902B。如所展示，照明同一像素之光柵耦出器902R、902G及902B逐個地安置。
參考圖9C，PIC層908C為分別圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示面板100、200、300及400中之任一者之PIC層108的變體。圖9C之PIC層908C包括波導陣列905C，各波導905C包括色彩非選擇性耦出器陣列902。各色彩非選擇性耦出器902經配置以以實質上相同主光線角度耦出複數個色彩通道中之各色彩通道（亦即紅色照明光910R、綠色照明光910G及藍色照明光910B）。色彩非選擇性耦出器之實例給出於例如希普頓（Shipton）等人之美國專利第10,877,214 B2號中，其以全文引用之方式併入本文中。
參考圖10，PIC層1008為分別圖1A、圖2、圖3及圖4之自體發光顯示面板100、200、300及400中之任一者之PIC層108的變體。圖10之PIC層1008包含包括複數個子陣列1004-1、1004-2、…、1004-N之波導陣列，各子陣列耦合至用於照明像素電極陣列1007之特定幾何區域的光束分光器1009-1、1009-2、…、1009-N。各子陣列可包括用於導引個別色彩通道之光的紅色、綠色及藍色波導（亦即，配置以用於導引紅色（R）、綠色（G）及藍色（B）照明光之波導）。此類配置提供具有區域性照明之可能性的自體發光顯示面板，亦即，具有減少或甚至斷開所顯示影像之黑暗區域下的照明光的可能性，因此達成影像之僅一部分明亮的影像之總體能量節省，且改良總體感知影像對比度。
在一些具體實例中，各區域由專用雷射源或一組雷射源或更一般而言半導體光源照明，如圖10中所說明。在一些具體實例中，可使用每色彩通道單一光源，例如R色彩通道之光源、G色彩通道之光源及B色彩通道之光源。R、G及B色彩通道中之各者之光源可耦合至專用晶片上主動PIC元件，諸如光學開關或可變分光器，其取決於影像內容而重佈不同區域之間的光能。
參考圖11，虛擬實境（VR）近眼顯示器1100包括：框架1101，其針對各眼睛支撐諸如本文中揭示的自體發光顯示面板中之任一者的自體發光顯示面板1110；及視覺晶狀體或準直器1120，其用於將由顯示面板1110產生之線性域中之影像轉換成角度域中之影像以用於在動眼區（eyebox）1112處直接觀測。展示為黑色圓點之複數個動眼區照明器1106可圍繞面向動眼區1112之表面上的顯示面板1110置放。可針對各動眼區1112提供眼睛追蹤攝影機1104。
眼睛追蹤攝影機1104之目的為判定使用者之兩個眼睛之位置及/或位向。動眼區照明器1106在對應動眼區1112處照明眼睛，以允許眼睛追蹤攝影機1104獲得眼睛之影像，以及提供參考反射（亦即閃光）。閃光可充當捕獲眼睛影像中之參考點，從而藉由判定眼睛瞳孔影像相對於閃光影像之位置來促進眼睛凝視方向判定。為了避免因動眼區照明器1106之光分散使用者之注意力，可使得動眼區照明器1106發射對於使用者而言不可見之光。舉例而言，紅外光可用於照明動眼區1112。
參考圖12，HMD 1200為AR/VR可穿戴顯示系統之實例，為了較大程度沉浸至AR/VR環境中該AR/VR可穿戴顯示系統圍封使用者之正面。HMD 1200可產生完全虛擬3D影像。HMD 1200可包括可圍繞使用者之頭部緊固之前本體1202及條帶1204。前本體1202配置以用於以可靠且舒適之方式置放在使用者之眼睛前方。顯示系統1280可安置於前本體1202中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統1280可包括本文揭示之自體發光顯示面板中之任一者。前本體1202之側面1206可為不透明或透明的。
在一些具體實例中，前本體1202包括用於追蹤HMD 1200之加速度的***1208及慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU）1210，及用於追蹤HMD 1200之位置的位置感測器1212。IMU 1210為基於自位置感測器1212中之一或多者接收到之量測信號而產生指示HMD 1200之位置之資料之電子裝置，該電子裝置回應於HMD 1200之運動而產生一或多個量測信號。位置感測器1212之實例包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測移動之另一適合類型之感測器、用於IMU 1210之錯誤校正之感測器的類型，或其某一組合。位置感測器1212可位於IMU 1210之外部、IMU 1210之內部或其某一組合。
***1208由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤整個HMD 1200之位置及位向。由IMU 1210及位置感測器1212產生之資訊可與藉由追蹤***1208獲得之位置及位向進行比較，以用於改良HMD 1200之位置及位向之追蹤準確度。當使用者在3D空間中移動及轉動時，準確位置及位向對於向使用者呈現適當虛擬景物係至關重要的。
HMD 1200可進一步包括深度攝影機組裝件（depth camera assembly；DCA）1211，其擷取描述環繞HMD 1200之一些或所有之局部區域之深度資訊的資料。深度資訊可與來自IMU 1210之資訊進行比較，為了在3D空間中判定HMD 1200之位置及位向之較佳準確度。
HMD 1200可進一步包括用於即時判定使用者眼睛之位向及位置的眼睛追蹤系統1214。眼睛之所獲得位置及位向亦允許HMD 1200判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統1280產生之影像。所判定凝視方向及聚散角度可用於調整顯示系統1280以減少聚散調節衝突。方向及聚散亦可用於如本文中所揭示之顯示器的出射光瞳轉向。此外，經判定聚散及凝視角度可用於與使用者互動、突出物件、將物件帶至前景、產生額外物件或指標等。音訊系統亦可提供包括例如建置於前主體1202中之一組較小揚聲器。
本揭示內容之具體實例可包括人工實境系統，或可與人工實境系統一起實施。人工實境系統在向使用者呈現之前以某一方式調整經由感測所獲得之關於外部世界的感官資訊，諸如可視資訊、音訊、接觸（體感）資訊、加速度、平衡等。藉助於非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、複合實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全生成內容或與所捕獲（例如，真實世界）內容組合之生成內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現，諸如在對檢視者產生三維效應之立體視訊中。此外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用於例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個檢視者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。
本揭示內容之範圍不受本文中所描述之特定具體實例限制。實際上，除本文中所描述的之外，其他各種具體實例及修改亦將自前述描述及隨附圖式對於所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見。因此，此類其他具體實例及修改意欲屬於本揭示內容之範圍內。此外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方式之上下文中描述本揭示內容，但所屬領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本揭示內容可出於任何數目個目的有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文所闡述之申請專利範圍應鑒於如本文中所描述之本揭示內容之全部範圍及精神來解釋。
100:自體發光顯示面板 102:電子電路系統層 103:電子閘極 104:第一基板 106:像素化電極層 107:像素電極陣列 108:光子積體電路層 109:波導陣列 110:照明光 110A:照明光部分 111:耦出器陣列 112:半導體光源 114:導電通孔陣列 116:單元 118:背板電極層 120:第二基板 122:背板電極層/背板電極 124:電活性層 200:自體發光顯示面板 202:區域 204:第一基板 300:自體發光顯示面板 400:自體發光顯示面板 500:方法 600A:自體發光顯示面板 600B:自體發光顯示面板 601A:像素 601B:像素 602A:發散光束 602B:發散光束 604A:準直光束 604B:準直光束 606:虛線 630:準直器 632:焦平面 650A:顯示設備 650B:顯示設備 702A:光柵結構 702B:光柵結構 702C:光柵結構 702D:光柵結構 704:核心 706:間隔物層 711A:耦出器 711B:耦出器 711C:耦出器 711D:耦出器 802A:光柵結構 802B:光柵/奈米天線 802C:奈米天線 804:核心 806:間隔物層 808:奈米結構陣列 811A:耦出器 811B:耦出器 811C:耦出器 902:色彩非選擇性耦出器 902B:光柵耦出器 902G:光柵耦出器 902R:光柵耦出器 904B:藍色波導子陣列/藍色子陣列 904G:綠色波導子陣列/綠色子陣列 904R:紅色波導子陣列/紅色子陣列 905A:波導陣列 905B:波導陣列 905C:波導陣列 908A:光子積體電路層 908B:光子積體電路層 908C:光子積體電路層 910B:藍色照明光 910G:綠色照明光 910R:紅色照明光 1004-1、1004-2、…、1004-N:子陣列 1007:像素電極陣列 1008:光子積體電路層 1009-1、1009-2、…、1009-N:光束分光器 1100:虛擬實境近眼顯示器 1101:框架 1104:眼睛追蹤攝影機 1106:動眼區照明器 1110:自體發光顯示面板 1112:動眼區 1120:視覺晶狀體或準直器 1200:頭戴式顯示器 1202:前本體 1204:條帶 1206:側面 1208:*** 1210:慣性量測單元 1211:深度攝影機組裝件 1212:位置感測器 1214:眼睛追蹤系統 1280:顯示系統 α:角度 β:角度
現將結合圖式描述例示性具體實例，其中： [圖1A]為包括形成於矽基板上之電子電路系統層上方的光子積體電路層之自體發光顯示面板的側橫截面視圖。 [圖1B]為圖1A之自體發光顯示面板之照明波導及通孔區的三維局部視圖。 [圖2]為包括由透明基板上之電子電路系統層支撐之光子積體電路層的自體發光顯示面板之側橫截面視圖。 [圖3]為包括由基板上之光子積體電路層支撐之電子電路系統層的自體發光顯示面板之側橫截面視圖。 [圖4]為包括相對基板上之光子積體電路及電子電路系統層的自體發光顯示面板之側橫截面視圖。 [圖5]為製造透明基板上之電子電路系統層及基於其之自體發光顯示器的方法之流程圖。 [圖6A]及[圖6B]為基於圖1A、圖1B及圖2至圖4之自體發光顯示面板之近眼顯示器的示意圖，其中無（圖6A）及具有（圖6B）主光線工程。 [圖7A]至[圖7D]為本揭示內容之自體發光顯示面板之光子積體電路之光柵耦出器之各種具體實例的側橫截面視圖。 [圖8A]為本揭示內容之自體發光顯示面板之光子積體電路之外耦接器之傾斜光柵具體實例的俯視圖。 [圖8B]為可用於本揭示內容之自體發光顯示面板之光子積體電路中的具有基於奈米結構之主光線角度控制之光柵耦出器的側橫截面視圖。 [圖8C]為本揭示內容之自體發光顯示面板之光子積體電路之耦出器之奈米天線具體實例的俯視圖。 [圖9A]至[圖9C]為用於本揭示內容之自體發光顯示面板之色彩照明配置的示意圖。 [圖10]為經配置以用於本揭示內容之顯示面板之區域性照明之光子積體電路的俯視示意圖。 [圖11]為具有一對眼鏡之外觀尺寸之本揭示內容之近眼顯示器的視圖。 [圖12]為本揭示內容之頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）之三維視圖。
100:自體發光顯示面板
102:電子電路系統層
103:電子閘極
104:第一基板
106:像素化電極層
107:像素電極陣列
108:光子積體電路層
109:波導陣列
110:照明光
110A:照明光部分
111:耦出器陣列
112:半導體光源
114:導電通孔陣列
116:單元
118:背板電極層
120:第二基板
122:背板電極層
124:電活性層

Claims (20)

  1. 一種自體發光顯示面板，其包含： 第一基板； 光子積體電路層，其由該第一基板支撐，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列； 電子電路系統層，其由該光子積體電路層支撐；及 像素化電極層，其包含像素電極陣列，其中該電子電路系統層配置以用於將電信號施加至該像素電極陣列； 其中該光子積體電路層包含耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至該波導陣列以用於經由該電子電路系統層及經由該像素電極陣列耦出該照明光之部分。
  2. 如請求項1之自體發光顯示面板，其進一步包含： 第二基板，其與該第一基板相對； 背板電極層，其由該第二基板支撐，該像素化電極層及該背板電極層界定一單元；及 電活性層，其位於該單元中； 其中在操作中，這些照明光部分依序經由該電子電路系統層、這些像素電極、該電活性層、該背板電極層及該第二基板傳播。
  3. 如請求項2之自體發光顯示面板，其中該電活性層包含液晶。
  4. 如請求項1之自體發光顯示面板，其中該耦出器陣列包含形成於該波導陣列中之光柵。
  5. 如請求項4之自體發光顯示面板，其中這些光柵傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
  6. 如請求項1之自體發光顯示面板，其中該耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
  7. 如請求項1之自體發光顯示面板，其中： 該照明光包含複數個色彩通道； 該波導陣列中之各波導配置以傳送該複數個色彩通道中之各色彩通道；且 該耦出器陣列中之各耦出器配置成以實質上相同之主光線角度耦出該複數個色彩通道中之各色彩通道。
  8. 如請求項1之自體發光顯示面板，其中該波導陣列包含複數個子陣列，其中各子陣列經配置以攜載該照明光之該複數個色彩通道中之特定色彩通道。
  9. 一種自體發光顯示面板，其包含： 相對的第一基板及第二基板； 光子積體電路層，其由該第一基板支撐，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列； 背板電極層，其由該光子積體電路層支撐； 電子電路系統層，其由該第二基板支撐； 像素化電極層，其包含像素電極陣列，其中該電子電路系統層配置以將電信號施加至該像素電極陣列，該像素化電極層及該背板電極層界定一單元；及 電活性層，其位於該單元中； 其中該光子積體電路層包含耦出器陣列，該耦出器陣列耦合至該波導陣列以用於經由該背板電極層、該電活性層及該像素電極陣列耦出該照明光之部分。
  10. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中該電活性層包含液晶。
  11. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中該耦出器陣列包含形成於該波導陣列中之光柵。
  12. 如請求項11之自體發光顯示面板，其中這些光柵傾斜以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
  13. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中該耦出器陣列包含奈米結構陣列以提供在空間上自一個像素電極至另一像素電極變化之該照明光之這些部分的主光線角度。
  14. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中： 該照明光包含複數個色彩通道； 該波導陣列中之各波導配置以傳送該複數個色彩通道中之各色彩通道；且 該耦出器陣列中之各耦出器配置成以實質上相同之主光線角度耦出該複數個色彩通道中之各色彩通道。
  15. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中該波導陣列包含複數個子陣列，其中各子陣列配置以攜載該照明光之該複數個色彩通道中之特定色彩通道。
  16. 如請求項9之自體發光顯示面板，其中該波導陣列包含複數個子陣列，各子陣列耦合至用於照明該像素電極陣列中之特定幾何區域的光束分光器。
  17. 一種製造自體發光顯示面板之方法，該方法包含： 在犧牲基板上形成電子電路系統層，該電子電路系統層包含像素化電極層，該像素化電極層包含像素電極陣列； 將第一基板接合至該電子電路系統層； 移除該犧牲基板； 提供光子積體電路層，該光子積體電路層包含用於導引照明光之波導陣列及耦合至該波導陣列以用於耦出該照明光之部分的耦出器陣列； 藉由提供與該第一基板呈固定相隔關係之第二基板來形成一單元，該第二基板支撐背板電極層，其中該像素化電極層面向該單元，且其中在操作中，這些照明光部分經由該像素電極陣列傳播；及 用電活性材料填充該單元。
  18. 如請求項17之方法，其中該光子積體電路層形成於該第一基板上且當該單元形成時面向該單元。
  19. 如請求項18之方法，其中該電子電路系統層安置於該光子積體電路層與該電活性材料之間。
  20. 如請求項17之方法，其中該光子積體電路層形成於該第二基板上且當該單元形成時面向該單元。
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