显示器后方的发射器的制作方法

1.本发明总体上涉及光电设备，并且尤其涉及照明器和显示器。


背景技术：

2.可穿戴和/或便携式消费者设备，诸如智能手机、增强现实(ar)设备、虚拟现实(vr)设备和智能眼镜，包括光学显示器以及光学辐射源。


技术实现要素：

3.下文描述的本发明的实施方案提供了用于将照明器与显示器集成的改进设计和方法。
4.因此，根据本发明的实施方案，提供了一种光电设备，所述光电设备包括：显示器，所述显示器包括：第一基板，所述第一基板对给定波长的光学辐射是透明的；以及第一显示单元阵列，所述第一显示单元阵列包括以第一间距置于所述第一基板上的像素电路元件，在所述像素电路元件之间具有预定义大小的间隙。发射器阵列包括：第二基板，所述第二基板平行于所述第一基板并且靠近所述第一基板；以及第二发射器阵列，所述第二发射器阵列以不同于所述第一间距的第二间距置于所述第二基板上，并且被配置为朝向所述第一基板以所述给定波长发射光学辐射。控制电路被配置为识别与所述像素电路元件之间的所述间隙对准的所述发射器，并且选择性地驱动所识别的发射器通过所述间隙发射所述光学辐射。
5.在所公开的实施方案中，所述第二间距小于所述间隙的所述预定义大小。
6.在一些实施方案中，所述设备包括所述光学辐射的多个传感器，所述多个传感器被配置为检测由所述发射器发射并且从所述像素电路元件反射的所述光学辐射，其中所述控制电路被配置为响应于由所述传感器检测到的所反射的辐射而识别所述发射器。通常，所述传感器置于所述第二基板上。在一个实施方案中，所述传感器被配置为检测所反射的辐射的飞行时间，并且所述控制电路被配置为响应于所检测的飞行时间而区分从所述像素电路元件反射的所述辐射。在这种情况下，所述传感器可以包括单光子雪崩二极管(spad)。
7.替代地或另外，所述传感器被配置为检测所反射的辐射的强度，并且所述控制电路被配置为响应于所检测的强度而区分从所述像素电路元件反射的所述辐射。在所公开的实施方案中，所述传感器包括光电二极管。
8.进一步另外或替代地，所述控制电路被配置为识别使从所述像素电路元件反射的所述辐射最小化的所述发射器，并且选择性地驱动所识别的发射器。在所公开的实施方案中，所述控制电路被配置为致动多组所述发射器连续发射所述光学辐射、测量由于所述多组中的每一个组而从所述显示器反射的所述辐射，并且识别所述多组所述发射器中的响应于所测量的辐射而被选择性地驱动的一组发射器。
9.在一些实施方案中，所述发射器包括微透镜，所述微透镜被配置为将来自所述发射器中的每一个发射器的所述光学辐射聚焦以在所述第一基板处会聚成腰部。在一个实施
方案中，所述第二基板包括第一面和第二面，其中所述发射器形成于所述第二基板的所述第一面上并且被配置为通过所述第二基板发射相应辐射束，并且其中所述微透镜分别与所述发射器对准地形成于所述第二基板的所述第二面上。
10.在所公开的实施方案中，发射器包括垂直腔面发射激光器(vcsel)。
11.根据本发明的实施方案，还提供了一种用于显示的方法，所述方法包括：提供显示器，所述显示器包括：第一基板，所述第一基板对给定波长的光学辐射是透明的；以及第一显示单元阵列，所述第一显示单元阵列包括以第一间距置于所述第一基板上的像素电路元件，在所述像素电路元件之间具有预定义大小的间隙。放置发射器阵列，使得所述第二基板平行于所述第一基板并且靠近所述第一基板，并且所述发射器朝向所述第一基板发射所述光学辐射，所述发射器阵列包括：第二基板；以及第二发射器阵列，所述第二发射器阵列以不同于所述第一间距的第二间距置于所述第二基板上，并且被配置为以所述给定波长发射光学辐射。识别与所述像素电路元件之间的所述间隙对准的所述发射器，并且选择性地驱动所述发射器通过所述间隙发射所述光学辐射。
12.结合附图，从下文中对本发明的实施方案的详细描述将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
13.图1是根据本发明的实施方案的便携式设备的示意性前视图；
14.图2是根据本发明的实施方案的显示器的示意性前详细视图；
15.图3是根据本发明的实施方案的叠加在vcsel芯片上方的图2的显示器的示意性前详细视图；
16.图4是根据本发明的实施方案的图3的vcsel芯片的示意性前视图；
17.图5是根据本发明的实施方案的发射器阵列和传感器和显示器的一部分的示意性截面图；
18.图6是根据本发明的实施方案的用于选择用于致动的vcsel的校准方法的示意图；并且
19.图7是根据本发明的另一实施方案的在显示器下方具有集成微透镜的vcsel的示意性截面图。
具体实施方式
20.诸如智能手机、增强现实(ar)设备、虚拟现实(vr)设备、智能手表和智能眼镜的各种各样的便携式计算设备(在本说明书中统称为“便携式设备”)包括光学显示器和光学辐射源两者。(如本说明书和权利要求书中所用的术语“光学射线”、“光学辐射”和“光”通常是指可见辐射、红外辐射和紫外辐射中的任一种和全部。)例如，智能手机的正面可以包括显示屏、用于捕获用户面部图像的相机，以及用于在图像捕获期间照亮面部的照明源。这些便携式设备的显示器的大小、分辨率和亮度的持续增加对这些设备的正面内的各种发射器和传感器模块的孔径的可用空间施加了严格的限制。
21.显示器布局可以设计为在显示器的每个像素内的像素电路元件之间的间隙中具有透明窗口。放置在此窗口后面并与其对准的发射器(诸如vcsel(垂直腔面发射激光器))
将通过所述窗口发射光束。因此，窗口阵列后方的发射器阵列可以为便携式设备的应用(诸如3d投影或面部识别)提供照明。然而，通过窗口的辐射的高效传输需要将发射器与相应窗口对准到几微米的精度。使用当前可用的制造方法，发射器阵列与显示器之间的这种程度的精度的机械对准即使不是不可能，也是非常困难的。
22.本文描述的本发明的实施方案通过提供一种光电设备来解决这些问题，所述光电设备包括具有给定像素间距的显示器和安装在所述显示器后方的发射器阵列，发射器间距与像素间距不同。由于间距的差异，大部分发射器将不与由像素电路元件之间的间隙限定的透明窗口对准，但是发射器中的一些发射器将与相应的间隙对准。控制电路识别与像素电路元件之间的间隙对准的发射器，并且选择性地驱动这些发射器通过间隙发射其光学辐射。其余发射器通常不被致动(可能除了可能在测试和校准阶段期间)。因此，消除了对显示器后方的发射器阵列进行精确制造对准的需要。
23.在所公开的实施方案中，显示器包括形成于诸如玻璃基板的第一基板上的显示单元阵列，所述第一基板对由发射器阵列发射的波长的光学辐射是透明的。每个显示单元包括像素电路元件之间的一个或多个间隙，从而在发射器波长处提供窗口。发射器阵列形成于诸如半导体基板的第二基板上，并且被定向成使得发射器朝向第一基板发射光学辐射，所述第二基板平行于第一基板并且靠近第一基板安装。
24.发射器阵列的间距可以有利地小于显示单元中的透明窗口的横向尺寸中的任一个横向尺寸。在这种情况下，即使仅具有粗略的横向机械对准，一些发射器也始终与相应的窗口对准。
25.可以使用各种校准程序来识别待致动的发射器，并且可能改变现场的选择。(例如，由于对准随时间推移的移动，特别是如果设备经历一些机械冲击，可能需要此类变化。)为此目的，在一些实施方案中，发射器阵列还包括传感器，所述传感器可以散布在发射器中或排列在第二基板上的一些其他位置，或者可以置于单独的基板上。控制电路使用传感器来测量来自每个发射器的从像素电路元件朝向第二基板反射回的辐射。与相应间隙对准的发射器具有低背反射，并且被识别为在这个基础上致动。在下面详细描述的一个实施方案中，控制电路测量来自发射器的脉冲发射与传感器处的光子检测之间的时间，以便识别作为来自像素电路元件的背反射特性的短程反射。
26.图1是根据本发明的实施方案的便携式设备20的示意性前视图。便携式设备20包括显示器22，所述显示器覆盖便携式设备的大部分正面。便携式设备20还包括光学辐射源24，所述光学辐射源可以用于例如3d投影或面部识别的应用。本发明的实施方案使得能够将源24放置在显示器22的有源部分后方，如虚线框26所示。源24的这种放置节省了显示区域，因为否则源将必须放置在凹口区域28中(用于其他设备，例如相机和其他辐射传感器)，从而扩大了凹口并因此减小了显示器22的有用区域。
27.图2是根据本发明的实施方案的显示器22的细节29的示意性前视图。显示器22包括基板45，诸如玻璃，所述基板对可见和近红外范围内的波长的光学辐射是透明的。通过本领域已知的显示器制造方法在基板45上形成显示单元30的阵列。每个显示单元30包括设置在基板45上的像素电路元件，诸如oled(有机发光二极管)32和用于切换oled的tft(薄膜晶体管)34，以及将像素电路连接到显示器22外部的电子器件的导体38。
28.显示单元30以某一像素间距在基板45上间隔开，在像素电路元件之间具有限定透
明窗口的预定义大小的间隙36。在图示的示例中，单元30在x方向上具有w
c,x
＝80μm的间距，并且在y方向上具有w
c,y
＝60μm的间距。间隙36的尺寸是w
w,x
＝20μm的x宽度和w
w,y
＝50μm的y宽度。x方向和y方向由笛卡尔坐标轴39指示。
29.细节29仅作为具有典型尺寸的间隙36的显示单元30的示例而呈现。可以使用具有其他布局和尺寸的其他类型的显示单元以及其他类型的像素电路元件，只要它们包括足够的间隙以用作每个单元30中的透明窗口即可。
30.图3是根据本发明的实施方案的叠加在诸如vcsel芯片40的发射器阵列上方的显示器22的细节29的示意图。芯片40上的vcsel 42a、42b、42c和42d通过相应的间隙36a、36b、36c和36d是可见的，并且被选择性地驱动以通过相应的间隙发射光学辐射。以这种方式布置的vcsel42a、42b、42c和42d的2
×
2矩阵可以例如用于为接近传感器提供照明。在替代实施方案中，可以使用不同布置和数量的vcsel 42。
31.图4是根据本发明的实施方案的图3的vcsel芯片40的示意性前视图。vcsel芯片40包括置于诸如半导体基板的基板51上的vcsel 42的矩阵43。矩阵43中的vcsel 42a、42b、42c和42d是与图3中的间隙36a、36b、36c和36d对准的特定vcsel。这些vcsel被识别并且被选择性地驱动以通过相应的间隙36发射光学辐射，而矩阵43中的剩余vcsel未被致动。
32.在这个示例中，矩阵43在x维度和y维度两者中以相等的间距p布局，但是发射器的其他布置也是可能的。间距p不同于间隙36的尺寸w
w,x
或w
w,y
并且有利地小于间隙尺寸，以确保将存在与每个间隙对准的至少一个vcsel 42。例如，对于图2中给出的尺寸，可以选择间距p为约10μm或更小。选择远小于间隙36的两个尺寸中的任一者的间距p确保即使是vcsel芯片40与显示器22之间的粗略横向对准公差也将产生vcsef 42与每个所需间隙36的对准。(“横向对准”是指在vcsel芯片40的平面中的对准。)在替代实施方案中，vcsel 42可以布置在分别在x维度和y维度上具有不等间距p
x
和py的矩阵中，要求p
x
《w
w,x
并且py《w
w,y
，其中x和y再次指代到图2的笛卡尔坐标39。
33.图5是根据本发明的实施方案的发射器和传感器阵列44和显示器22的一部分的示意性截面图。阵列44定位在显示器22下方，靠近并平行于所述显示器。阵列44包括基板51上的多对发射器(在这个实施方案中是vcsel 42)和传感器(在这个实施方案中是spad(单光子雪崩二极管)48)。为了简单起见，仅示出了两个发射器/传感器对——vcsel 42e和42f以及spad 48e和48f。基板51可以包括例如具有cmos(互补金属氧化物半导体)电路的硅基板，所述cmos电路用于形成spad 48并且用于驱动spad和vcsel 42两者。替代地，可以使用其他类型的发射器和传感器，并且给定传感器可以在多个发射器之间共享。
34.控制电路50耦合到vcsel 42和spad 48。图示示例中的阵列44定位在显示器22下方，使得包括vcsel 42e和spad 48e的对与间隙36对准，而包括vcsel 42f和spad 48f的对不与间隙对准。spad 48检测由对应vcsel 42发射并从像素电路元件(诸如oled 32、tft 34和导体38)反射的光学辐射。控制电路50基于由spad检测到的所反射的辐射识别与间隙36对准的发射器。具体来说，控制电路50识别最小化从像素电路元件反射的辐射的vcsel，并且选择性地驱动这些所识别的发射器。阵列44中的剩余vcsel 42未被驱动并且保持不活动。在例如美国专利申请公开2019/0363520中描述了可用于此类选择性驱动vcsel的电路，所述申请的公开内容通过引用并入本文。此选择性致动方案可用于减少vcsel芯片消耗的功率，以及减少反射到设备20中的杂散光量。
35.如图5所示，vcsel 42e和42f发射光学辐射的相应光束52e和52f。光束52e通过(vcsel 42e上方的)间隙36透射到显示器22上方的空间中。由于来自基板45的残余表面反射(通常为百分之几)，只有一小部分光束被反射到spad 48e，由箭头58指示。然而，光束52f被像素电路元件阻挡，并且因此光束52f的大部分(由像素电路元件吸收的一小部分可能除外)朝向spad 48f反射，如由箭头60所示。因此，基于来自传感器48e和48f的信号，控制电路50可以识别并随后将驱动vcsel 42e，但不会驱动vcsel 42f。
36.尽管可以使用各种类型的传感器来检测来自显示器的反射，但是spad 48有利于提供指示由vcsel 42发射并反射回对应spad的光子飞行时间的输出。控制电路50基于施加以驱动vcsel的每个脉冲与对应spad输出的检测脉冲之间的时间差来估计飞行时间。来自像素电路元件的反射将以非常短的飞行时间为特征，并且因此可以与可能从设备20前面的更远物体到达spad的反射区分开。
37.在替代实施方案中，光学辐射的传感器包括模拟光电二极管，而不是spad 48。控制电路50经由模数转换器从光电二极管接收例如表示所反射的辐射的积分强度的信号。在这种情况下，控制电路50将选择反射信号弱的vcsel，从而指示所述vcsel可能位于间隙36后方。
38.为了利用这种现象来识别与间隙36对准的vcsel 42，控制电路50连续致动多个vcsel或vcsel 42的集合以将光学辐射发射为短脉冲串。控制电路50进一步接收和测量来自spad 48的信号，并且计算接收到的脉冲的飞行时间和数量。当由箭头58和60指示的返回脉冲从显示单元30返回时，计算出的飞行时间相等，从而表示从vcsel 42到显示器然后到spad48的往返距离。然而，由于在间隙36处来自基板45的反射率远小于来自像素电路元件(诸如oled 32和tft 34)的反射率，因此由spad 48e接收到的具有短飞行时间的脉冲的数量将比由spad 48f接收到的数量小得多。脉冲计数的这种差异为控制电路50提供了基于最小化的所反射的辐射来识别与间隙36对准的那些vcsel 42的手段。
39.图6是根据本发明的实施方案的用于识别与间隙36对准的那些vcsel 42的校准方法的示意图。所公开的方法包括n个连续步骤，所述步骤在下文详述。图6示出了步骤1、2、3和n，并且方法的细节在步骤1中示出。
40.vcsel芯片40的矩阵43中的一组vcsel 42由四个vcsel 42g、42h、42i和42j的单位单元62限定，从而形成2
×
2矩阵。(形成单位单元的四个vcsel由空心圆标记。)单位单元62还包括四个spad 48，每个spad与单位单元的四个vcsel 42中的一个vcsel相关联(如图5所示，但是为了简单起见，从图6中省略)。2
×
2矩阵的横向(x,y)维度被选择为显示单元30(图2)的间距w
c,x
和w
c,y
的整数倍。由于矩阵43的间距p远小于间隙36的尺寸w
w,x
或w
w,y
中的任一者，所以单位单元62中的至少一个单位单元将使其四个vcsel与四个对应显示单元30中的相应间隙对准。(即使单位单元62的2
×
2矩阵的横向尺寸不是间距w
c,x
和w
c,y
的精确倍数，但由于间距p较小，所以也可以选择对准。)
41.图6的方法的目的是识别vcsel矩阵43中的单位单元62中的与间隙36对准的一个单位单元。步骤n的数量是单位单元62的大小和矩阵43中的vcsel 42的数量的函数。尽管本示例使用包括vcsel 42的2
×
2矩阵的单位单元，但可替代地使用包括其他数量和布置的vcsel的单位单元。
42.在所述方法的n个步骤中的每一个步骤中，控制电路50限定单位单元62的不同位
置，即，控制电路以长度位为p的连续离散步长跨越矩阵43移动单位单元。在每个步长，控制电路50驱动单位单元62的四个vcsel发射光学辐射的短脉冲串，并且从与单位单元的四个vcsel相关联的四个spad 48接收从显示单元30反射的脉冲。控制电路50计算作为时间的函数的来自单位单元62的四个spad 48的总脉冲数，如直方图64所示。由于来自显示单元30的反射引起的脉冲可以基于vcsel 42与spad之间的短往返时间来识别，如由虚线框66所标记。
43.步骤1示出了矩阵43的左上角的单位单元62。在图64中，在框66内看到大量脉冲(在框外部有几个杂散脉冲)，从而指示回到与单位单元62的当前位置相关联的四个spad 48的强反射。强反射指示单位单元62的当前位置中的四个vcsel未与间隙36对准，而是所述vcsel发出的辐射撞击在对应显示单元中的像素电路元件上。这种情况对应于图5中由箭头60示出的情况。
44.在步骤2中，控制电路50已经将单位单元62向右移动一个间距间隔p。类似于步骤1，在框66内看到大量脉冲，再次指示单位单元62的vcsel 42相对于间隙36未对准。
45.在步骤3中，控制电路50已经将单位单元62向右移动另一个间距间隔p。现在，框66内的脉冲的数量显著低于步骤1和2中的脉冲的数量，从而指示步骤3的位置中的单位单元62的spad已经接收到从间隙36反射的光学辐射。在这个位置，单位单元的四个vcsel与间隙36对准。这种情况对应于图5中由箭头58示出的情况。
46.在后续步骤4、5
…
n中，可以进一步监测返回脉冲的数量以便识别单位单元62的最佳位置，其中在框66内具有最小数量的脉冲计数。控制电路50选择这个单位单元中的vcsel以在设备20的操作期间被驱动。
47.尽管图6示出了用于识别要驱动的vcsel的最佳选择的某种简单策略，但是可以替代地使用其他更有效的搜索策略并且被认为是在本发明的范围内。
48.图7是根据本发明的另一实施方案的在显示器22下方具有集成微透镜80的vcsel 70的示意性截面图。微透镜80聚焦来自vcsel 70的光学辐射以在显示器22的基板45处会聚成腰部84，并且因此干净地穿过间隙36。在发射器阵列中的vcsel中的每一个vcsel(例如矩阵33中的vcsel)的光束路径中形成类似的微透镜。
49.在图示的示例中，vcsel 70形成于基板51的底面72上，并且将光学辐射作为光束76发射到基板中。基板51可以包括例如gaas(砷化镓)。微透镜80形成于基板51的顶面78上。在例如2020年2月2日提交的美国专利申请16/779,609中描述了具有集成微透镜的vcsel的这种布置类型，所述申请的公开内容通过引用并入本文。替代地，可以使用如本领域已知的其他微透镜布置。
50.微透镜80将光束76透射并重新聚焦成光束82，并且将其朝向显示器22中的间隙36投射。微透镜80与vcsel 70和基板51一起被设计和定位，使得光束82的腰部84位于基板45处。这种设计使光束82在间隙36处的横截面最小化，使得光束可以穿过间隙而不会因在间隙边缘处撞击在像素电路元件上而损失。抗反射涂层86可以沉积在顶面78上以减少来自顶面的反射损失。
51.应当理解，上文所描述的实施方案以示例的方式引用，并且本发明不限于上文已特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文所述的各种特征，以及本领域的技术人员在阅读以上描述之后会想到的在现有技术中没有公开的其变型形式和修改形式的组
合和子组合。