MEMS驱动的具有微LED阵列的光学封装的制作方法

mems驱动的具有微led阵列的光学封装


背景技术：

1.当前对沉浸式体验的未来的任何愿景都围绕环境图像、短暂指示符、构建在包括基于光场的像素系统的技术栈上的点播内容。对于从墙壁上浮起的菜单或从建筑物侧面浮起的广告牌，图像必须适应来自不同角度的观看者。为了制作全息面板或传递一些其它光结构，用户必须具有显示系统，该显示系统传递感知为3d的内容，并向相对于显示器的不同位置范围内的观看者提供真实的视差、聚散度和调节。系统必须这样做，而不管观看者是否佩戴眼镜。系统必须从房间中的任何任意点来完成这个，而不会出现桶形旋转，这是由于传统3d系统内的限制而导致每个观看者感知到稍微不同位置的对象的故障。
2.目前还没有一种屏幕，其以商业上可缩放的方式有效地管理任意表面上的光场显示，并且提供其它视角的有效消除或重像。
3.目前市场上有用于小型显示器和显示器的lcd衍生物，它们使用视差屏障系统来传递具有投影或直接观察源的多角度光。
4.philips(r)3d lcd系统通过用双凸透镜将屏幕区域切成小块来处理这种情况，该双凸透镜将lcd的表面分成限定数量的切片，使得观看者可以从特定的一组视点看到3d图像，但是在没有眼睛跟踪的情况下几乎没有机会获得共享的体验，并且该体验将总是受到需要将图像区域切成垂直切片的限制。
5.leia(r)显示器与nintendo(r)在nintendo 3ds(r)中传递的显示器共享一些特性。显示器在具有显示器右眼和左眼的单个用户周围被优化。
6.存在多种被考虑的大模块，并且存在以与philips 3d系统不相异的方式来处理现有的显示器的复杂的视差屏障系统。
7.这些整体系统将难以扩展到房间规模沉浸式环境中。这些系统还经常具有边框，该边框将出现在任何以必须管理或容忍的接缝损坏成品显示器的最终产品中。它们针对个体观看者，并且智能电话的市场是巨大的，因此这在商业上是有意义的。
8.但是这意味着这些系统中没有一个适合用于大型公共显示器应用，在该应用中需要灵活的模块化方法来跳过启动应用并利用现有的机械系统。
9.一种解决方案是对采用plcc smd封装的led系统上的组件进行建模，以允许各种各样的产品。但是使用大的led阵列存在问题，其中观看者仅意图基于其相对于屏幕的位置在给定时间观看特定的一组子像素。
10.首先，每个子像素相对于整个组建的相对表面积将产生非常小的有效面积。在当前led市场中的2mm像素间距屏幕中的发光元件可以小于像素的总表面积的几个百分点。在将数百像素装入同一空间的光场显示中，维持感知的屏幕亮度所需的该像素的输出功率将显著地跳跃，并且在某些方面是没有帮助的。
11.其次，需要掩模来控制光输出，使得每个观看者仅看到预期用于他们的光场子像素。这种掩模将产生具有基本上离轴的观看问题的像素，并且将可能由于相邻光场子像素的不完全消光而产生视觉伪像。
12.第三，每个光场子像素的占空比相对于led封装的总数较小。可以使用多路复用以
使用1/3个led管芯，简化了布局并降低了成本。根据系统的目标，还可以使用1/5或1/8led材料。
13.存在更多的问题，但是模具的数量和熄灭问题是关键。如果用户不能仅仅看到针对他们的图像，而且还从针对其他人的图像中看到重影(消光比)，则该技术将不成功。实施例的概述
14.所提出的解决方案可以使用总光场子像素空间的1/3到1/4的多个led，并且有效地管理led的输出，使得通过移动其上安装有led的平台，每个光场子像素仅从期望角度可见，并且平台以这种方式的移动使用本文中称为光学多路复用的系统/方法。
15.光学多路复用使用较少量的led，而且还以通过基于内容的处理而驱动的方式控制光的分布。这种系统可以增加场景中运动的刷新速率，或者增加其中存在低颜色对比度的颜色空间，并且可以通过使用不同波长的附加led来扩展颜色可能性。
16.可以在电影制作中的摄像机上使用大的光场系统，以在演员在绿色屏幕背景上拍摄时向演员示出尺寸计算机图形元素。实际上，可以创建图像，使得通过相机跟踪和与媒体服务器的集成，只有相机看见绿色屏幕。
17.并且该技术的较小版本可以找到进入房屋、电梯和汽车中的指示器的途径。事实上，随着自动驾驶车辆开始走道路，来自汽车的指示将明显变得更加关键。
附图说明
18.图1示出了智能电话相机模块。
19.图2示出plcc6 led封装。
20.图3a示出了短行程光场封装正视图。
21.图3b示出了通过可与封装一起使用的透镜的光路的图示。
22.图4是光学多路复用的一个示例性示例。
23.图5是光学多路复用的另一示例性视图。
24.图6示出了通过组件的信号流。
25.图7示出了短行程光场封装。
26.图8示出了具有用于暴露微led阵列的剖面的短行程光场像素。
27.图9示出了具有rgb led和像素的特写的长行程光场封装的正视图。
28.图10示出了长行程光场封装的图示。
29.图11示出了长行程光场封装的分解图。
30.图12示出了扭转光场封装的正视图。
31.图13示出了扭转光场封装。
32.图14示出了扭转光场封装的分解图。
33.图15是扭转光场封装led阵列的分解图的详细视图。
34.图16示出了光场显示模块。
35.图17示出了光场面板。
36.图18示出了光场显示墙。
37.图19示出了光场显示在概念车上的应用。
38.图20示出了在第一视图中光场显示在汽车上的应用。
39.图21示出了在第二视图中光场显示在汽车上的应用。
40.图22示出了在第三视图中光场显示在汽车上的应用。
41.图23示出了汽车工业中的应用的图示。
42.图24示出了在汽车领域示出了两个视点的应用。
43.图25示出了示出了两个视点的车辆的替代图示。
44.图26示出了汽车应用中的通知。
45.图27示出了系统校准。
46.图28示出了通过座椅的校准。
具体实施例
47.硬件考虑
48.显示器包括包含由led构成的像素的封装，如本文所呈现。在此讨论的所提出的应用使用移动可交替激活的led的阵列/工作台/台，其中每个led对不同的观看者可见，以使用被称为光学多路复用的方法来创建3d图像。
49.封装组件的模块化性质提供了精确的图像生成工具，其可以用于提供从娱乐消费到创建虚拟集合中的内容到物理世界的一系列特征和功能，其中系统可以以清楚且无创的方式向行人传达自主车辆将要做什么。
50.系统的模块化性质允许在与现有表面安装产品和pcb拓扑集成的同时在一系列形式上创建这些变化的应用。
51.驱动器系统可以以用于发光二极管阵列的典型方式驱动视频，同时控制微机电系统(mems)系统的移动，使得mems台的位置和led管芯的图案以及光场led的照明与视频内容的输出同步。这可以被认为是模式移动-眨眼-移动-眨眼-移动-眨眼-重复。
52.驱动器系统还可能需要校准以针对mems设备中的公差和led管芯的放置进行调整。这可以以多种方式实现，包括将一个或多个ir led放置在mems台上，其可以用于为了校准和对准系统的目的而相对于零点定位台。该ir发射器可以由位于以光学系统为基准的位置处的传感器读取。以此方式，ir led和微led阵列之间的位置差异可被建立并被用于驱动系统。
53.将led管芯转移到可放置在mems台上的衬底上可以是制造过程中值得在单独公开中考虑的一个步骤：led的放置可能需要精度，使得光场像素组件之间的变化落在合理的公差内。
54.一些驱动硅也可以放置在mems台上以最小化mems台和驱动系统之间的连接的数量。
55.mems部件本身可以是梳状驱动器、磁性或热致动器、压电或其它系统。系统的选择将由设备的规模和显示应用侧的所需速度和精度以及设备侧的耐久性来驱动。cmos兼容系统可允许将mems、mems台、衬底和显示系统的信号布局集成到单个组件中。
56.显示器的微led部分可以用多种方式来构造。一种方式包括在mems平台本身中构造驱动器电子器件。这可涉及将无源矩阵背板直接图案化到mems台上作为cmos制造工艺的一部分。这可以允许tft背板，其中栅极和列驱动器直接放置在微led衬底上。
57.另外，有多种选择用于生产显示器组件，其包括但不限于微led。可以使用oled或
其它显示器。显示器可以是由有源背光驱动的非常小的微显示器。
58.对于微led，主要方法是传统的红色、绿色、蓝色方法和使用磷光体、量子点或一些其它转换材料的色彩转换方法。
59.mems台可以以线性方式来回移动，但是mems的扫描很可能不是以相同的方式从一个光场像素到另一个光场像素发生。
60.像素一可以以c、a、d、b、f、c、a、d、b、f、c、a、d、b
…
的模式扫描led。
61.像素二可以以d、b、f、c、a、d、b、f、c、a、d、b、f、c
…
的模式扫描led。
62.像素三可以a、d、b、f、c、a、d、b、f、c、a、d、b、f
…
的模式扫描led。
63.改变扫描顺序可以减少光场像素之间的噪声和串扰。这可以通过系统的伪随机图案化来实现，该伪随机图案化确保扫描顺序在整个屏幕上以无序的方式分布。当采用较低的扫描频率时，可能还需要改变扫描顺序内的led的照明以消除可感知的扫描顺序。
64.透镜堆叠还可用于调证整光源的焦点。直接位于光源上方的光学元件，其通过弹簧被拉紧就位，非常类似于相机模块中的光学器件。当需要时，致动器可以相对于光源移动光学层，使像素暂时散焦。这可允许导演将更多的膜元件引入到基于光场的显示中。该透镜组可以是传统透镜、液晶或其它可变透镜结构。
65.光学链的一个可能的实现可以显示反转的内容，并且图像在显示器的光学元件中翻转。这种方法可以有助于减少串扰。
66.完整的系统可以包括安装在柔性或刚性衬底上的光学多路复用封装(omp)阵列。该衬底被附着到物理表面，并且连接到前面的lf模块或者连接到板，该板在系统中充当集线器，取得全部数据的子集并将其分发到一组lf模块。
67.对实时渲染的需要意味着将渲染移动到更靠近模块可能是有利的。一组模块可以结合一个或几个能够实时渲染和显示数百万像素的渲染设备。这样的内容将不被存储为渲染文件，而是将由诸如不真实或单一的游戏引擎实时渲染。虽然传统的相机捕获可以是这样的系统的一部分，但是文件可以以场景的视觉分量被分离的方式存储，使得模型和纹理图以及照明都是信号链中的离散实时元素，并且可以针对观众在该时刻进行调整。
68.在设计用于驱动显示器的处理系统中，用于omp和特定环境的校准元件可能是必需的。对于某些环境，可能需要包括机器人臂上的立体传感器系统的用于局部校准的系统。
69.由于渲染都是实时的，因此可以针对单个椅子完全优化数据。以此方式，可以以更适应人类视觉过程的方式来动态地驱动整个显示器传递颜色、移动、灰度级和其它细节。
70.组件背景
71.通过引入某些可能在以后上下文中有用的组件而包括在这里的图1示出了现代智能电话中的相机模块101，其包括可以结合光学元件、mems致动器以及处理和驱动器电路的高度集成的组件。该系统足够精确以1到2微米像素跟踪透镜焦点。在外部，该系统包括罐102，其包含关键部件以及将部件附接到柔性印刷电路板(fpcb)103的装置和光学元件104的系统的主要可见元件。
72.图2示出了plcc6 led封装201，其可以由围绕表面安装兼容封装构造的现代led屏幕使用。封装201以外壳202为特征，并且指向附着到pcb 203，然后附着到容纳发光二极管(led)的井205。plcc6封装中的led管芯可以在200到500微米的范围内。但是新技术提供30-50微米范围内的led。这些led是花粉粒的尺寸，开辟了新设计和市场的可能性。
73.plcc封装设计201可能是有用的，因为屏幕可以包括变化的板尺寸以便响应不同的市场需求，并且更高分辨率的屏幕需要更密集封装的led。创造性的显示器可能需要led的线性阵列。这种构建任意尺寸的大屏幕的模块化方法为使用板上芯片技术和/或结合微型led和小型led的不同设计让路。但是模块化方法提供了许多灵活性。
74.plcc封装有用的原因对于光场显示也是成立的。大型剧场规模的显示器可以容易地由plcc型封装构成，该plcc型封装的特征在于限定光场显示中所需的100或甚至接近1000个不同场景视图的led的大阵列。并且在包括需要解决的相邻光场lcd之间的串扰的布局中存在极大的低效率。
75.为此，我们提出了一种混合解决方案，其采用相机模块的一些元件并将微led阵列移植到mems驱动的光学封装中以创建光学多路复用封装(omp)。
76.具体描述
77.图3a示出了一个实施例，其中omp 301是包括光输出302、滤光器303和排列在安装在基于线性梳状物的mems设备305上的台304a上的微led304的阵列的组件，该基于线性梳状物的mems设备以这样的方式分布，即平台304a从一侧移动到另一侧，并且每个相应的单行led与台304a一起在任一方向上移动，使得从列b 310，系统仅需要在任一方向上移动60微米以下(60微米是每个led之间的一个可能距离)，以将列a 311和列c 312放置在正确位置，以便光学系统输出不同的相应信号。还应当理解，多个led(a，b，c)可以包括像素314，从而组合以显示不同的颜色。该mems设备305和台304a的运动可以由内置于封装301中的驱动器306协调。
78.led台304a可以包括led驱动电路，其减少从主驱动器到各个红色、绿色和蓝色led所需的连接的数量。理论上，系统可以添加白色led或不是rgb的附加led，以通过增加两行或更多行的行程到mems台来扩展色谱。
79.mems台304a的编程也可以控制每个补充像素的占空比，使得可以根据需要使用白色或青色(作为例子)，将主驱动留给rgb像素。
80.封装301可以集成驱动器306以控制台304a和任何有源光学元件的移动，此外还维持系统上以及台和led304的照明之间的时钟。
81.图3b示出了投射在其去往观看者107a、107b的途中被颠倒(尽管这不是必需的)的光307a、307b的台/led 304a、304的模型。这种颠倒可能是有帮助的，因为观看者可能看到台/led阵列的不同或有限部分，并且光路中的交叉在减少包含在封装内的相邻光场像素之间的任何串扰方面可能是有用的。从该视图应当理解，透镜302用于使光307a、307b弯曲，并且尽管观看者被示出处于极限视角，但是单个观看者的两只眼睛可以接收不同的光波，并且在这样做时，接收来自以3维渲染对象的封装或封装阵列的输出。其它视差或双凸透镜可以实现类似的效果。在一些实施例中，mem可以类似于一系列横跨弯曲输入光学元件的背面的刮片。
82.图4示出了在五个时间点的透镜阵列340和小型led阵列341。从第一位置350移动到第五位置354。这以小型led阵列从不从一列led移动到相邻列的方式示出。因此，我们从位置c的350移动到位置a的351，移动到位置d的352，移动到位置b的353，移动到位置e的354。尽管显示器可以以线性方式扫描，但是这将产生视觉伪像是可能的。
83.图5示出了透镜阵列340和微型led阵列341，示出了有效led和像素314(其中一个
像素也是多个led 314)位置以及示出了系统中所有有效位置的重影/照亮位置。可以看到，位置e 354和位置a 351示出了两个有效像素列，因为此时该图示在这些位置中包含两列像素。
84.图6示出了单个光场封装373，其是较大系统的一小部分。该信号源于包含所有像素和/或led位置的地图的显示处理器370。该地图输出数据，并且该数据命中提取屏幕的该部分的本地数据的接收器卡371。该数据经由集成接收器卡371与led面板的集线器372输出。集线器372的输出将可能撞击面板内的许多led模块。在面板中，数据通常从光场封装级联到光场封装。每个光场封装373可以包含驱动器374，其将本地数据连同mems台380和ir led 391一起提供给led驱动器375。
85.图7示出了共用plcc6封装301的许多元件并可与标准拾取和放置设备一起使用的封装401。光场封装401包含被设计成以大致朗伯方式分布输出的光学系统410，尽管这可以针对线性分布进行优化，因为这在许多情况下可能是期望的。可以有一个辅助光学元件411，它或者校准光源的输出或者作为一个掩模。
86.光场封装401的电功能可以通过由集成驱动器422控制的mems致动器421沿线性路径驱动的台420a上的光发射器420的布置来限定。光场封装401可以使用表面安装兼容导体阵列来连接。
87.图8示出了短行程光场封装，其具有暴露的微led阵列501，该阵列具有保持微led阵列520被示出的台519。led排列可以是线性的，或者led(标记为r、g、b以指示可能的颜色)或另一光源可以排列成三元组排列530，从而允许红色led 532成为若干相邻像素531的一部分。
88.图9示出了长行程光场封装的正视图，其中，替代实施例提供了封装601，其使用更小的台619来跨静态光学系统630的背面移动更紧凑的光源620阵列。这在允许使用更小的衬底用于发光阵列的生产中可以具有优点，并且在更多的光学多路复用是可能的情况下可以是更期望的。将该长行程封装601与短行程封装401进行比较，应当理解，这些台具有不同的尺寸，led间距也是如此，这将分别需要相应台的或多或少的行程。
89.如图10和11所示，使用较长行程的系统能够基于使用动态寻址像素，非常类似于仅在需要的地方施加墨水的打印头。在水平轴上表示54个像素的系统中，mems台需要在中心或默认位置的任一侧行进超过两毫米一点或超过一毫米一点。
90.如图11所示，长行程系统801可以更多地依靠一个或多个弹簧802的作用来将台820a快速移动回到默认位置。
91.图12-15示出了使用旋转台902来围绕中心轴移动led封装的扭曲光像素的替代实施例。这在光学上可能更复杂，但是该设计可以提供各种选择以使用离散的红色、绿色、蓝色、青色、橙色和白色微型led来创建具有扩展动态范围的虚拟像素。
92.如图13所示，扭转系统1002中的mems台902由在铰链上移动的三个柱1003驱动，该铰链旋转光学系统后面的led台。对于旋转台的一个关注点是，在该台中心的led将比在该台外部的led覆盖更小的显示区域，这意味着它们将以不同的占空比工作，但是这可以由驱动器来补偿。
93.图14示出了该系统可以使用红色、绿色和蓝色led的分组或者如密集led阵列中所示的不同颜色的离散led的系统。该阵列可以被配置在各种不同的位置，使得红色、绿色、蓝
色led通过与一个视角相关的特定光学元件。并且可以添加附加的led以扩展色谱。
94.如图15所示，可以看到led 1202的阵列与台1203和光学元件1204分开。
95.图16示出了光场像素显示模块，其中组件1301围绕填充有led封装1303的pcb 1302构建。但是在这种设计中，led封装是光场显示封装。该图示出了16
×
16的像素阵列，每个像素表示256个视点或大约65,000个光场子像素。
96.如图17所示，目前用于led显示器的机械系统可以容易地适用于光场显示。这里，包括十六个光场显示模块1410的面板1401被安装在框架1411上，该框架除了可以使用的小型局部化内容服务器1461之外还容纳电源1462和数据分布1460，因为该面板1401单独包含一百万个像素。
97.图18示出了光场像素显示墙，其中，然后可以排列面板，使得墙1501传递单个连续图像。在当前的led墙中，这些主要是2d图像。相反，光场显示能够在不使用眼镜的情况下从各种视点传递三维图像。无论是在平面传统屏幕应用中使用还是在圆顶或球面应用中使用，显示系统都将能够基于观看者在空间中的位置向每个观看者递送不同的体验。
98.图19示出了使用汽车1602和平板显示器1601的示例的应用，其中可以根据光场像素中使用的led阵列从48到180个不同的视图之间观看汽车。视图的数量可以是工程和成本的函数，但是可以理解，以多于180个离散水平视图为特征的大屏幕是可能的。
99.图20-22示出了来自不同汽车视图的光场显示的应用。
100.在图20中，观看者看到汽车1702的三维表示，其取决于他们从墙1701的视点。在图21中，观看者看到汽车1802的三维表示，其取决于他们从墙1801的视点。在图22中，观看者从两个不同的视角看到屏幕1901上的汽车1902。一个观看者1911正坐得更近且更靠左，而另一个观看者正坐得更后且更靠右1912，因此图像对于这两个观看者表现得不同，如同它将在剧院中的任何任意位置一样。
101.图23示出了汽车中的组件的一种可能用途，其中可以看到指示器浮离汽车的表面。这里，示出了汽车2001的尾部，其具有以输出看起来浮在汽车2003后面的方式集成的光场模块2002。
102.如图24所示，示出了汽车上的尾部，其中指示器图像由两个不同位置2101和2102中的光场分量生成。
103.在示出两个视点的替代视图中，示出了在车辆的后部具有光场阵列2510的汽车2500。该阵列可以看起来浮离车辆2511的背面，并且可以随着汽车达到行进速度而在车辆2512、2513后面进一步延伸。这可以用作设计元素或用作其他车辆和行人的指示器。
104.图26示出了使用这里的系统的汽车环境中的通知。从汽车2600传送信息的一种方式是文本。在汽车的后部具有光场阵列2610的车辆可以显示文本2611，使得行人将知道车辆上的自主驾驶系统感测到行人的存在。行人可能感觉到文本2621漂浮在车辆后面数英尺处。
105.图27和28示出了校准技术。如图27所示，除了光场像素的内部校准之外，安装在剧院2700中的系统也可能需要校准，以便阵列与剧院中的就座计划对准。这对于就座计划2710根据性能而改变的剧院可能特别重要。在这种情况下，座椅可以具有内置的或根据需要添加的传感器2715，以便使显示器参考空间中的就座计划。
106.如图28所示，屏幕2800到座位2810、2811中的座位和个体的校准可能是关键的。尽
管包括座椅2820、2830中的传感器的系统是直接的，但是存在多种可能性来这样做。在该系统中，参考内容2840用于校准系统，使得座位2810看到如由像素2823显示的视频2822的正确部分。对于座位2811，测试内容2832中的相同点由像素2833显示。传感器2830收集座椅2811的校准数据，并将数据发送回处理器，在处理器中根据需要进行调节。处理器包含将物理空间和数字测试内容合并成单个地图的空间地图。因此在此数字地图中所作的调整立即实现内容的渲染。这成为由光场像素组成的任何系统的安装处理器的一部分。
107.技术应用
108.剧院-光场可以用于流行的和艺术的剧场表演，将表演者置于真实的或抽象的场景中，使得设计者能够在物理集合可能已经太具有挑战性的地方进行剧场。
109.理论上，这可以是非常有效的虚拟集合，因为演员将看到它将在所渲染的场景中的一切。并且演员和一个或多个相机可能正在得到不同数据的事实意味着：在演员看到他们需要看到的场景的内容的同时，你可以在绿色屏幕上同时捕获，同时针对2d虚拟背景进行捕获。为了使其工作良好，系统可能需要在摄像机的频率下操作，因此系统必须支持24fps回放。
110.电影院-除了增强电影院体验的明显益处之外，该系统可以用于向个人显示字幕，使得两个相邻的人可以看到不同语言的字幕。
111.现场娱乐-这可以是增强现在已经使用的视频繁重组的音乐会旅游的一部分。在著名国家公园做相册的乐队可将其自身置于公园中，同时动态地数字地重新照亮环境。
112.环境-由光场像素构成的表面可以位于物理场景元素的后面。当与补充照明组合时，局部化的物理空间可能落在岛或森林的中间。空间的窗口可以由光场像素组成，该光场像素给予在克利夫兰地下室的火锅餐厅的客人一种他们正在眺望阿尔卑斯山的感觉。
113.汽车-由于汽车的表面被更多的功能材料所取代，并且驾驶自动驾驶车辆的经验变得更加普遍，因此自动驾驶车辆必须与外界有效地通信。行人将需要理解而不能与驾驶员进行目光接触。动态光可以通过转换汽车周围的光场来代替该交互。这也允许汽车基于其功能采用设计轮廓。白天作为品牌公司运输的汽车，晚上会成为光明的高级轿车。
114.建筑-混合网格系统可以将由显示器生成的近场光与来自聚光灯和洗墙灯的投射光集成在一起，以在建筑物中创建动态线，从而创建人工照明源。
115.在所有这些环境中，可以控制光输出，使得仅照亮必要的光场像素。这通过降低环境光水平而有益于这些应用中的每一个。
116.在未示出的替代实施例中，具有白光场像素的omp可以用于阵列中以背光照亮lcd。
117.尽管已经参照上述实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对其进行各种改变或修改。