用于光发射器的低轮廓互连的制作方法

本申请要求2016年2月24日提交的名称为“LOW PROFILE INTERCONNECT FOR LIGHT EMITTER”的美国临时申请No.62/299,163依据35U.S.C.§119(e)的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本申请还通过引用整体并入以下专利申请和出版物中的每一个：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961；以及2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218。

技术领域

本公开涉及光源，更具体地，涉及具有安装在基板上的光发射器的光源。在一些实施例中，光发射器可以是发光二极管。

背景技术：

安装在基板上的光发射器，诸如安装在电路板上的发光二极管，用作光源，以在各种电子装置中提供照明。基板可以包括将光发射器与基板上的布线连接的布线接合，以向光发射器提供电力。随着现代设备的规格改变，例如，随着对效率、稳健性(robustness)和/或紧凑性的要求的增加，持续需要开发能够满足这些现代装置的需求的光源。

技术实现要素：

在一些实施例中，提供了一种照明系统。该照明系统包括基板，该基板包括基板接合衬垫。光发射器被附到基板，并且该光发射器包括光发射器接合衬垫。电互连位于光发射器上。该电互连在电互连的一端接触光发射器接合衬垫，并在电互连的另一端接触基板接合衬垫。当在横切电互连的伸长(elongate)轴的平面中观察时，电互连的横截面形状具有大于高度的宽度。在一些实施例中，光发射器上的电互连的最大高度可以是50μm或更小。在一些实施例中，电互连可以保形地遵循光发射器的外形(contour)。

在一些其它实施例中，提供了一种用于制造照明装置的方法。该方法包括在包含基板接合衬垫的基板上提供包含光发射器接合衬垫的光发射器。该方法还包括在光发射器上沉积电互连，并且该电互连与光发射器接合衬垫和基板接合衬垫接触。在一些实施例中，沉积电互连可以包括3D打印电互连。

附图说明

图1示出了将光发射器连接到基板上的接合衬垫的布线接合的横截面侧视图的示例。

图2A示出了具有通过低轮廓互连连接到基板的光发射器的光源的横截面侧视图的示例。

图2B示出了图2A的光源的横截面视图的示例，如沿着图2A的平面2B-2B截取的横截面所示。

图3示出了具有位于低轮廓互连下方的电介质层的光源的横截面侧视图的示例。

图4示出了具有位于低轮廓互连下方的电介质层的光源的横截面侧视图的另一示例。

图5示出了图4的在光发射器上具有光管的光源的横截面侧视图的示例。

图6示出了图5的在光发射器上具有封装材料以及在封装材料上具有光管的光源的横截面侧视图的示例。

图7是示出作为光管与光发射器之间的距离的函数的光管的功率效率的曲线图。

图8示出了通过AR装置的增强现实(AR)的用户视图。

图9示出了可穿戴显示系统的示例。

图10示出了用于为用户模拟三维图像的常规显示系统。

图11示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的方面。

图12A-12C示出了曲率半径与焦点半径之间的关系。

图13示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。

图14示出了由波导输出的出射光束的示例。

图15示出了具有多个光发射器和多个光收集器的光模块的透视图。

应当理解，提供附图是为了说明示例实施例，而不是为了限制本公开的范围。相同的附图标记始终表示相同的特征。

具体实施方式

光发射器可以耦接到上覆光学结构(例如，光管)，该光学结构接收来自光发射器的光，以例如进一步透射该光和/或修改光。应当理解，从光发射器到光学结构的光的注入效率很大程度上取决于分离光发射器与光学结构的距离。较小的分离提供较高的效率，其中较高百分比的发射光被注入光学结构中。随着光学结构和光发射器的宽度或横向尺寸的减小，较小的分离的影响可以增加；随着横向尺寸减小，通过错过光学结构的光在边缘周围损失更多的功率。例如，在横向方向上的光学结构和光发射器尺寸小于1.5mm的情况下，分离对效率的影响很容易显现。由此，随着光发射器和光学结构的表面的横截面积减小，光发射器与接收来自光发射器的光的光学结构之间的分离的影响增加。

如上所述，可以使用布线接合向光发射器提供电力。然而，已经发现常规的布线接合限制了上覆光学结构与光发射器间隔的紧密程度。图1示出了光源500的横截面侧视图的示例，该光源500具有将光发射器510连接到基板530上的接合衬垫520的布线接合502。电接触540在光发射器510与基板530上的布线(未示出)之间提供第二连接。可以理解，布线接合500和电接触540是电互连，并且可以用作阴极和阳极，用于向光发射器供电。

布线接合通常是具有圆形横截面的金属布线。如所示出的，这些布线可以平缓地向上弯曲然后向下弯曲到接合衬垫，以例如防止可能由于与布线形成尖角而导致的断裂。向上的曲率增加了包括布线接合的光源的高度。另外，已经发现布线对于显示系统是不合需要的，因为它可能阻挡来自光发射器的光并形成可能在投影图像中引起视觉伪影的阴影。布线接合还可能限制相邻的光发射器可以放置在基板上的紧密程度，因为布线接合必须在芯片上方具有特定的环高度并且不能太急剧地向下弯曲。另外，可以在布线接合502和光发射器510周围形成封装材料550，以为布线接合502和光发射器510提供机械保护和电绝缘。封装材料550进一步增加了光源500的高度，从而将任何光学结构与光发射器510隔开至少封装材料550的高度，该封装材料550进而具有由布线接合502指示的高度。

有利地，根据一些实施例，提供了具有特别低轮廓的电互连的光发射器。在一些实施例中，互连将光发射器连接到基板上的接合衬垫。单个光源可以包括一个或两个或更多个互连，每个互连连接到接合衬垫。互连可以具有横截面轮廓，当从正面观察时，该横截面轮廓具有大于高度的宽度，例如，该轮廓可以是大致矩形或椭圆形。优选地，互连通过沉积形成，例如，通过诸如3D打印的印刷工艺，其在光发射器上形成材料带。可以理解，沉积的带具有大致矩形或椭圆形的横截面。在一些实施例中，在光发射器上形成电介质层，然后沉积互连。电介质和互连可以通过相同类型的沉积来沉积，例如，两者可以通过3D打印来沉积。

沉积的互连可以保形地遵循下方的表面拓扑(topology)的外形，例如，光发射器和基板上的任何其它结构的外形，并且这种拓扑可以由保形电介质层呈现(assume)，其中这样的电介质层被沉积。在一些实施例中，互连和电介质层都是材料带。应当理解，基板可以包括可以支撑电路的任何材料，诸如标准FR4、陶瓷、金属及其组合。

有利地，互连平放在光发射器上方，从而在光发射器上方仅突出少量。在一些实施例中，互连连接到光发射器顶部上的接合衬垫并靠近发光区域的边缘或发光区域的外部，这可以有利于减少投影图像中的阴影类型的伪影。在一些实施例中，互连在光发射器上方延伸至约50μm或更小、约35μm或更小、约25μm或更小、或者约20μm或更小的高度。该小高度允许上覆光学结构(例如，光管或反射器)与光发射器之间的紧密间隔，从而提供从光发射器向光学结构注入光的高效率。在一些实施例中，因为互连直接放置在下方材料上，诸如在沉积的电介质层上，所以互连可以在机械上和环境上足够稳定以省略封装材料的使用。这种封装材料的避免可以提供简化制造和降低制造成本的优点，同时还允许上覆光学结构与光发射器的更紧密间隔。另外，与悬挂在光发射器和基板上方的薄接合布线相比，直接形成与基板表面接触的互连提供了更稳健且更抗冲击和抗振动的互连。

现在将参考附图，其中相同的附图标记始终表示相同的部件。

现在参考图2A，示出了光源600的横截面侧视图的示例，该光源600具有通过低轮廓互连640连接到基板630上的接合衬垫620的光发射器610。如所示出的，光发射器610还可以具有接合衬垫650，互连640直接接触接合衬垫650。由此，互连640在基板630中的接合衬垫620与光发射器610上的接合衬垫650之间形成电连接。在一些实施例中，光发射器610下方的电接触660与光发射器610进行另一电连接。互连640和电接触660中的一个可以用作阳极，互连640和电接触660中的另一个可以用作阴极，以向光发射器610提供电力。

应当理解，接合衬垫620和650可以分别是光发射器610和基板630上或内的导电材料区域，互连640可以与其形成稳定的电接触。在一些实施例中，接合衬垫620和650是光发射器610或基板630上的材料沉积。优选地，接合衬垫620和650由金属材料形成。在一些实施例中，接合衬垫620可以是基板630上的布线的部分并且可以具有比布线更大的宽度，该布线诸如用于向光发射器610提供电力的布线并且在一些应用中还可以帮助去除热量。在一些实施例中，基板630可以是印刷电路板。较宽的互连640可以具有比布线接合低的高度或厚度，但实际上例如由于其较大的面积有助于比布线接合去除更多的热量，这可以允许互连用作散热器。这是有利的，因为热量对光发射器性能和寿命是不利的。

在一些实施例中，光发射器610是发光二极管(LED)器件，诸如LED芯片。在一些实施例中，LED由具有p和n掺杂区域的半导体形成，所述p和n掺杂区域形成p-n结，该p-n结在跨越结施加电压之后发光。

继续参考图2A，可以通过沉积工艺形成互连640。在一些实施例中，沉积工艺可以是3D打印工艺。有利地，3D打印允许在特定位置处选择性地沉积材料，并且沉积可以是保形的以促进低高度。3D打印工艺可包括能够沉积连续导电材料层的各种工艺。在一些实施例中，该材料是金属。金属的非限制性示例包括铝、金和铜。在一些实施例中，互连的宽度和厚度可沿其长度变化，以用于所需的机械配合或电或热性能。

3D打印工艺的非限制性示例包括材料挤出和粉末床熔化(powder bed fusion)。在材料挤出中，材料(例如，金属)的供应被熔化并流出开口(例如，喷嘴中的开口)以将互连材料沉积在表面上。在一些实施例中，多条材料线可以在另一材料线的侧面彼此直接相邻地沉积，以根据需要增加沉积的互连640的宽度并且增加沉积材料的量。另外或可替代地，线可以沉积在另一线的顶部以增加沉积的互连640的厚度。

在粉末床熔化中，通过热源选择性地加热松散的材料床(例如，金属粉末或颗粒床)，以在所施加的热量的位置处形成连续的材料块，而床的未加热的部分保持为粉末或颗粒形式并且随后可以被去除。在一些实施例中，热源可以是能够提供足够的局部能量以烧结或熔化材料的任何热源，从而形成固体材料块以限定互连640。热源的示例包括可以将高能辐射或粒子的光束投射到材料床的装置。例如，热源可以是激光和/或电子束。在一些实施例中，可以在材料床上扫描高能光束(例如，具有足够能量来烧结或熔化材料床中的颗粒的光束)，从而将颗粒烧结或熔化在一起，以形成连续的材料线。另外，可以跨越材料床进一步扫描高能光束以形成相邻线，以延伸互连640的宽度以增加沉积材料的量。在一些实施例中，可以在烧结或熔化的材料上沉积另一材料床，该另一材料床然后暴露于高能光束以通常地或在特定位置增加沉积的互连的高度(诸如以使互连在壁的一侧向上延伸)。除了上述工艺之外，还可以使用用于沉积电介质材料的其它3D打印工艺来形成电介质层670。

应当理解，虽然被称为材料线，但是在一些实施例中通过3D打印沉积的材料线性地延伸，但是在一些其它实施例中可以形成曲线或转弯，如在俯视图中所观察到的。另外，如图2A所示，互连640保形地沉积在光发射器610和基板630上；也就是说，如侧视图所示，互连640的轮廓可以符合并跟踪下方的光发射器610和基板30的轮廓。

如本文所述，互连640可以向光发射器供电。应当理解，互连640的电阻将随着互连640的迎头(head-on)横截面积的增加而减小(也就是，互连640的横切互连640的从接合衬垫620延伸到接合衬垫650的长度尺寸的横截面面积，其可包括沿平面2B-2B截取的横截面积)。结果，优选地选择形成互连640所沉积的材料线的数量，以提供足够大的横截面面积，以向光发射器610提供电力而不会产生过度的电阻或发热。

在一些实施例中，互连640可具有伸长的横截面。图2B示出了图2A的照明系统的横截面视图的示例，如沿着图2A的平面2B-2B截取的横截面所示。平面2B-2B横切互连640的伸长轴(例如，横切沿着互连640从接合衬垫620延伸到接合衬垫650的轴)；图2B中所示的视图可以被认为是从正面观看到的互连640的视图。如所示出的，互连640具有宽度W和高度H。在一些实施例中，W大于H，这可以具有提供低轮廓互连的优点，同时还允许足够的材料以实现期望的低电阻。在一些实施例中，W为H的大约1.5倍或更多、50倍或更多、或者100倍或更多。

应当理解，光发射器610和/或基板630可以在其内部或其上具有导电材料。例如，在光发射器是LED芯片的情况下，光发射器610可以由可以导电的半导体管芯形成。在一些实施例中，基板670可以包括导电部件，诸如布线轨迹(wire trace)或用于电接触660的接合衬垫，该接合衬垫延伸超过光发射器660。例如，这种布置可以在一些陶瓷电路板中找到。为了防止互连640与其它导电部件的不期望的接触或短路，可以在沉积互连640之前沿着互连640的路径形成电介质层。图3示出了光源的横截面侧视图的示例，该光源600在低轮廓互连640下方具有电介质层670。在一些实施例中，电介质层670可以是跟踪互连640的路径的材料带，以及比互连640的侧面宽并且延伸超过互连640的侧面。在一些其它实施例中，电介质层670可以是覆盖基板630和光发射器610的部分的电介质均厚(blanket)层。

在一些实施例中，可以通过3D打印来沉积电介质层670。用于沉积电介质层670的3D打印工艺可包括能够沉积连续的电介质材料层的各种工艺。电介质材料的非限制性示例包括环氧树脂、树脂、胶、塑料、聚碳酸酯和其它基于聚合物的材料。

3D打印方法的非限制性示例包括材料挤出、粉末床熔化、材料喷射、粘合剂喷射。材料挤出和粉末床熔化可以类似于上面描述的用于沉积互连640的材料挤出和粉末床熔化，除了可以沉积电介质材料而不是导电材料。可以通过从喷嘴喷射液滴或液体材料流然后通过施加能量(例如，热和/或光)来硬化该材料而执行材料喷射。粘合剂喷射可以通过在表面上施加粉末并在粉末上从喷嘴喷射粘合剂材料的液滴或液体流以将粉末粘合在一起来执行。除了上述工艺之外，还可以使用用于沉积电介质材料的其它3D打印工艺来形成电介质层670。

应当理解，电介质层670可以在接合衬垫620和650中的一个或两个的部分上延伸。图4示出了光源600的横截面侧视图的示例，该光源600具有位于互连650下方并且还部分地覆盖接合衬垫620和650的电介质层670。如所示出的，电介质层670的端部670a覆盖接合衬垫620的部分，以及电介质层670的端部670b覆盖接合衬垫650的部分。在一些实施例中，电介质层670保形地位于基板630、光发射器610和接合衬垫620和/或650上。进而，互连640保形地遵循光发射器610和接合衬垫620和650的外形。如所示出的，除了直接接触接合衬垫620和650之外，互连640还可以直接接触电介质层670。在一些实施例中，电介质层对由光发射器610发出的光可以是透明的或部分透明的，由此覆盖光发射器的全部或部分而不会显著地阻挡发出的光。

互连640的低轮廓允许光发射器610与上覆结构之间的小间隔。图5示出了光源600的横截面侧视图的示例，该光源600在光发射器610上具有光学结构680。在一些实施例中，光学结构680是诸如光管的光收集结构。光发射器610被配置为通过间隙690将光注入到光学结构680中。在一些实施例中，间隙690的高度或者将光学结构680与光发射器610分离的距离为大约150μm或更小、约50μm或更小、约25μm或更小、或者约20μm或更小。在一些实施例中，光发射器610可以被暴露，其中间隙690填充有空气，将光发射器610与光学结构680分离。

在一些其它实施例中，除空气之外的材料也可以填充间隙690。例如，透明粘合剂或树脂可以填充间隙。优选地，填充间隙的材料可以由折射率基本上与光学结构680的材料的折射率匹配的材料形成，其中光学结构680是光管。

应当理解，光管由光学透射材料形成，并且可以用于透射光。光学透射材料的非限制性示例包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)和其它丙烯酸类、玻璃、聚碳酸酯或任何其它光学级聚合物材料。注入到光管680中的光可以通过全内反射(TIR)传播通过光管。在一些实施例中，通过在光管的侧面提供低折射率材料来促进TIR。例如，低折射率材料可以是空气或包覆(clad)层，其折射率比光管的折射率小0.1或更多。

在一些实施例中，光学结构680是反射光收集系统。例如，光收集系统可包括反射器，诸如圆形或椭圆(eleciptical)锥形或复合抛物面聚光器(CPC)。

应当理解，可以使用光学透射的封装材料来封装光发射器610和互连640。图6示出了图5的光源600的横截面侧视图的示例，该光源600在光发射器610上方具有封装材料700并且在封装材料上方具有光学结构680。如所示出的，间隙690可以由封装材料700填充，并且光学结构680可以紧接地设置在封装材料700上并与封装材料700接触。封装材料700可以保护光发射器610和互连640。封装材料的非限制性示例包括硅氧烷和环氧树脂。在一些实施例中，由光发射器610与光学结构680之间的封装材料690的厚度产生的间隙690使光发射器640与光学结构680分离约50μm或更小、约40μm或更小、或者约10μm或更小或者接触。

已经发现光发射器640与光学结构680之间的小间隔显著影响光发射器的功率效率。图7是示出光管的功率效率作为光管与光发射器之间的距离的函数的曲线图。功率效率在y轴上以及光管与光发射器之间的距离在x轴上。功率效率可以被理解为来自光发射器的输出光的总量的百分比，该输出光被光管捕获并随后输出。值得注意，在50μm或更小的距离处，功率效率为90％或更高，而功率效率在50μm或更大的距离，更具体地，在100μm或更大的距离处急剧下降。结果，预期在约50μm或更小、约35μm或更小、约25μm或更小、或者约20μm或更小的距离处维持光发射器610与光学结构680之间的间隙690，以提供特别高的功率效率。

在上面的示例中，光管的横向尺寸约为400×400um。用于这种光管的光发射器可落在约10×10um至约700×700um的范围内。如果光发射器太小，则开始产生的光不足。如果光发射器太大并且大比例的光错过了光管或反射器系统，尽管大尺寸使得系统对于未对准更加稳健。随着光收集器的尺寸变小，然后间隙必须小以保持系统的效率。

参考图5和图6，作为示例，图示的光源600可以类似于图4所示的光源的配置。在一些其它实施例中，光源600可以具有本文所讨论的任何配置，例如，诸如图2A-3中所示的配置。

示例显示系统

应当理解，低轮廓互连可以用在各种照明应用中，其中需要位于光发射器上的低轮廓。如其中所讨论的，低轮廓可以在光发射器与上覆光学结构(诸如光管)之间提供紧密间隔。这种紧密间隔可以允许光从光发射器高效地传输到光管中。另一个优点是，通过消除布线接合，互连可以更加稳健以抵抗冲击和振动以及环境问题。另外，对于给定的输出水平，这些互连可以允许光源更靠近地放置，这可以使光学系统更小和更轻。这种高效率、坚固性和小尺寸可以有利地用于显示装置中，以增加亮度和便携性和/或降低显示器的功率使用。

在一些实施例中，光发射器可用于照亮增强或虚拟现实显示系统。在一些实施例中，这些显示系统可以是可穿戴的和便携的，在多个深度平面上具有当前图像，其中每个深度平面需要光源。利用低轮廓互连提供的高效率可以有利地促进显示系统的便携性，例如，通过降低功率要求和增加电源的电池寿命并减小显示系统的尺寸。这些问题对于使用用于照明的多个光源的光学系统可能特别重要。

参考图8，描绘了增强现实场景1。应当理解，现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的发展，其中数字再现的图像或其部分以其看起来是真实的或者可被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实(或者“VR”)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对于其它实际的真实世界的视觉输入不透明；增强现实(或者“AR”)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实(或者“MR”)场景是一种AR场景并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括AR图像内容，该AR图像内容看起来被真实世界中的对象阻挡或者被感知为与对象交互。

图8示出了AR场景的示例，其中AR技术的用户看到以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台1120为特征的真实世界公园状设置1100。除了这些项目之外，AR技术的用户同样感知到他“看到”站在真实世界平台1120上的机器人雕像1110，以及飞过的卡通式化身角色1130，该化身角色看起来是大黄蜂的化身，即使这些元素1130、1110在真实世界中不存在。因为人类的视觉感知系统是复杂的，并且产生有助于连同其它虚拟或真实世界的图像元素一起的虚拟图像元素的舒适、自然、丰富呈现是具有挑战性的。

图9示出了可穿戴显示系统80的示例。显示系统80包括显示器62、以及支持该显示器62的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器62可以与框架64耦接，该框架可以由显示系统用户或观看者60佩戴并且被配置为将显示器62定位在用户60的眼睛前方。在一些实施例中，显示器62可以被认为是眼镜(eyewear)。在一些实施例中，扬声器66被耦接到框架64并且位于用户60的耳道附近(在一些实施例中，另一扬声器(未示出)位于用户的另一耳道附近以提供立体声/可塑形声音控制)。在一些实施例中，显示系统还可以包括一个或多个麦克风67或其它设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统80提供输入或命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)和/或可以允许与其它人(例如，与其它类似显示系统的用户)的音频通信。

继续参考图9，显示器62可操作地(诸如通过有线引线或无线连接)被耦接68到本地数据处理和模块70，本地数据处理和模块70可以以各种配置安装，诸如被固定地附到框架64上、被固定地附到由用户佩戴的头盔或帽子上、被嵌入头戴耳机内、或者其它的可拆卸地附到用户(例如，以背包式配置、以带耦接式配置)。本地处理和数据模块70可以包括硬件处理器以及诸如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)的数字存储器，这两者都可用于辅助处理、高速缓存和存储数据。该数据包括：a)从传感器(其例如可以可操作地耦接到框架64或者其它的可操作地附到用户60)捕捉的数据，所述传感器例如为图像捕捉设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪；和/或b)使用远程处理模块72和/或远程数据储存库74获取和/或处理的数据，这些数据可以在这样的处理或检索之后被传送到显示器62。本地处理和数据模块70可以诸如经由有线或无线通信链路可操作地通过通信链路76、78耦接到远程处理模块72和远程数据储存库74，使得这些远程模块72、74可操作地彼此耦接并且可用作本地处理和数据模块70的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块70可以包括图像捕捉设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一个或多个。在一些其它实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附到框架64或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块70通信的独立结构。

继续参考图9，在一些实施例中，远程处理模块72可以包括一个或多个处理器，这些处理器被配置为分析和处理数据和/或图像信息。在一些实施例中，远程数据储存库74可以包括数字数据存储设施，该设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置而可用。在一些实施例中，远程数据储存库74可以包括一个或多个远程服务器，这些远程服务器向本地处理和数据模块70和/或远程处理模块72提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据并且执行所有计算，从而允许从远程模块完全自主的使用。

可以通过向观看者的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维”或“3-D”。图10示出了用于为用户模拟三维图像的常规的显示系统。将两个不同图像5、7-用于每只眼睛4、6中的一个-输出给用户。图像5、7沿着与观察者的视线平行的光学轴或z轴与眼睛4、6隔开距离10。图像5、7是平坦的，并且眼睛4、6可以通过呈现单个适应(accommodate)状态而聚焦在图像上。这样的系统依赖于人类视觉系统来组合图像5、7以提供组合图像的深度感知。

然而，应当理解，人类视觉系统更复杂并且提供对深度的真实感知更具挑战性。例如，常规的“3-D”显示系统的许多观看者发现这样的系统不舒服或者根本不能感知到深度感。不受理论的限制，据信对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(即，瞳孔向着彼此或远离彼此以会聚眼睛的视线来注视对象的转动动作)与眼睛的晶状体的聚焦(或“适应”)紧密相关。在正常情况下，当将注意力从一个对象切换到位于不同距离处的另一对象时的眼睛的聚散度的改变，将会在被称为“适应-聚散度反射(accommodation-vergence reflex)”的关系下自动导致眼睛的晶状体的聚焦或眼睛的适应的匹配变化。同样，在正常情况下，适应的变化将引发聚散度的匹配变化。如本文所述，许多立体或“3-D”显示系统使用略微不同的呈现(并且因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，使得人类视觉系统感知到三维透视。然而，这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为除了其它的之外，这样的系统简单地提供场景的不同呈现，而且眼睛在单个适应状态下观看所有图像信息，以及违反“适应-聚散度反射”工作。提供适应与聚散度之间的更好匹配的显示系统可以形成更逼真和更舒适的三维图像模拟。

图11示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的方面。在z轴上距眼睛4、6的不同距离处的对象由眼睛4、6适应，以使得那些对象对焦(in focus)。眼睛(4和6)呈现特定的适应状态，以使沿着z轴的不同距离处的对象进入焦点。因此，可以说特定的适应状态与深度平面14中的特定一个深度平面相关联，该特定深度平面具有相关联的焦距，以使得当眼睛处于该深度平面的适应状态时，特定深度平面中的对象或对象的部分对焦。在一些实施例中，可以通过为眼睛4、6中的每一者提供图像的不同呈现来模拟三维图像，并且还可以通过提供与深度平面中每一个深度平面对应的图像的不同呈现来模拟三维图像。尽管为了清楚说明而示出为分离的，但应理解的是，例如，随着沿着z轴的距离增加，眼睛4、6的视场可以重叠。另外，虽然为了便于说明而示出为平坦的，但应理解的是，深度平面的外形可以在物理空间中是弯曲的，使得深度平面中的所有特征在特定的适应状态下与眼睛对焦。

对象和眼睛4或6之间的距离也可以改变来自该物体的光的发散量，如该眼睛所看到的。图12A-12C示出了距离和光线发散之间的关系。对象与眼睛4之间的距离由距离减小的顺序R1、R2和R3表示。如图12A-12C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说由点(物体或物体的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点离用户眼睛有多远的函数。随着对象与眼睛4之间的距离减小，曲率增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，发散度随着深度平面与观察者眼睛4之间的距离的减小而增加。虽然为了清楚地说明在图12A-12C和本文的其它图中仅示出了单个眼睛4，但是应当理解，关于眼睛4的讨论可以应用于观看者的双眼4和6。

不受理论的限制，据信人类眼睛通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一个深度平面对应的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由观看者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于眼睛的适应和/或基于观察位于失焦的不同深度平面上的不同图像特征来为用户提供深度提示，所述眼睛的适应被需要来对位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦。

图13示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统1000包括可以用于采用多个波导182、184、186、188、190向眼睛/大脑提供三维感知的波导堆叠或堆叠波导组件178。在一些实施例中，显示系统1000是图9的系统80，其中图13更详细地示意性地示出了该系统80的一些部分。例如，波导组件178可以是图9的显示器62的一部分。应当理解，在一些实施例中，显示系统1000可以被认为是光场显示器。

继续参考图13，波导组件178可以还包括位于波导之间的多个特征198、196、194、192。在一些实施例中，特征198、196、194、192可以是透镜。波导182、184、186、188、190和/或多个透镜198、196、194、192可以被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定的深度平面相关联，并且可以被配置为输出与该深度平面对应的图像信息。图像注入装置200、202、204、206、208可以用作波导的光源并且可以用于将图像信息注入到波导182、184、186、188、190中，如本文所述，其中的每个波导可以被配置为分配入射光穿过每个相应的波导，用于向眼睛4输出。这些光源可以更有效并且可以使用本文公开的互连间隔得更近。通过使用不同的光源，光源本身根据需要通过打开或关闭每个深度平面的照明来切换深度平面。光离开图像注入装置200、202、204、206、208的输出表面300、302、304、306、308并被注入到波导182、184、186、188、190的相应输入表面382、384、386、388、390。在一些实施例中，输入表面382、384、386、388、390中的每一个可以是相应波导的边缘，或者可以是相应波导的主表面的一部分(也就是，直接面向世界144或观察者眼睛4的波导表面中的一个。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中，以便以与特定波导相关联的深度平面对应的特定角度(和发散量)输出朝向眼睛4定向的克隆准直光束的整个视场。在一些实施例中，图像注入装置200、202、204、206、208中的单个图像注入装置可以与波导182、184、186、188、190中的多个(例如，三个)相关联并将光注入到波导182、184、186、188、190中的多个(例如，三个)中。

在一些实施例中，图像注入装置200、202、204、206、208是分立的显示器，每个显示器产生用于分别注入到相应波导182、184、186、188、190中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置200、202、204、206、208是单个复用显示器的输出端，其可以例如经由一个或多个光导管(诸如，光纤线缆)向图像注入装置200、202、204、206、208中的每一个图像注入装置用管输送图像信息。可以理解，由图像注入装置200、202、204、206、208提供的图像信息可以包括不同波长或颜色(例如，如本文所讨论的，不同的组分颜色)的光。

在一些实施例中，注入到波导182、184、186、188、190中的光由光输出模块209a提供，光输出模块209a可包括光源，例如光源600(图2A-4)。来自光输出模块209a的光可以由光调制器209b(例如，空间光调制器)修改。光调制器209b可以被配置为改变注入到波导182、184、186、188、190中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)(其包括硅上的液晶(LCOS))和数字光处理(DLP)显示器。虽然未示出，但是应当理解，可以在光输出模块209a与光调制器209b之间提供各种其它的光学结构(例如，偏振光束分离器)，以根据需要引导光的传播，以促进来自光输出模块209A到光调制器209B以及从光调制器209B到波导182、184、186、188、190的光的传播。

在一些实施例中，光输出模块209a可包括多个光收集器680，例如，光管或反射器，如图15中所示。每个光收集器680可被配置为输出光(例如，通过发射和/或将光反射)到光调制器209b中(图13)。这些光管或反射器680每个可以与在基板630(例如，印刷电路板)上以图案布置的一个或多个相关联的光源600光学耦接，并且根据一些实施例的低轮廓互连可以有利地用于在这些光源600中提供电连接。在一些实施例中，光源600的光发射器610(图5)可以小于1.5x1.5mm，或者在一些实施例中小于800x800um或小于300x300um。如本文所讨论的，对于这些较小尺寸的光发射器，收集器680与光发射器之间的给定距离对于光收集器680收集的光量然后对于较大的光发射器具有更显著的影响。而且，在采用多个光源600的情况下，由于光收集器680与每个光源600的光发射器之间的紧密度引起的光收集效率的影响被放大，因为多个光源600将看到聚集的低效率光收集的影响。有利地，具有本文公开的低轮廓互连的光源600可以提供较高的光收集效率，这在采用多个光源600的情况下可能是特别有益的。光输出模块209a还可以包括壳体和挡板(未示出)，用于分别包围和防止光收集器680之间和光源600之间的光泄漏。

再次参考图13，控制器210控制堆叠波导组件178中的一个或多个的操作，包括图像注入装置200、202、204、206、208、光发射器209a和光模块209b的操作。在一些实施例中，控制器210是本地数据处理模块70的一部分。控制器210包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，例如，根据本文公开的任何各种方案，该编程调节图像信息到波导182、184、186、188、190的定时和提供。在一些实施例中，控制器可以是单个整体装置，或者是通过有线或无线通信通道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器210可以是处理模块70或72(图9)的部分。

继续参考图13，波导182、184、186、188、190可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导182、184、186、188、190可以各自是平面的或具有其它形状(例如，曲面的)，其具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面与底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导182、184、186、188、190可以各自包括耦出光学元件282、284、286、288、290，这些耦出光学元件被配置为通过将每一个相应波导内传播的光重定向到波导外而将光提取到波导外，以向眼睛4输出图像信息。所提取的光也可以被称为耦出光，并且耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处被波导输出。耦出光学元件282、284、286、288、290可以例如包括衍射光学特征的光栅，如本文进一步讨论的。虽然为了便于描述和清晰绘图起见而将其图示为设置在波导182、184、186、188、190的底部主表面处，但是在一些实施例中，耦出光学元件282、284、286、288、290可以设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接设置在波导182、184、186、188、190的体积中，如本文进一步讨论的。在一些实施例中，耦出光学元件282、284、286、288、290可以形成在被附接到透明基板的材料层中以形成波导182、184、186、188、190。在一些其它实施例中，波导182、184、186、188、190可以是单片材料，并且耦出光学元件282、284、286、288、290可以形成在该片材料的表面上和/或该片材料的内部中。

继续参考图13，如本文所讨论的，每个波导182、184、186、188、190被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最接近眼睛的波导182可以被配置为将如注入到这种波导182中的准直光传送到眼睛4。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导184可以被配置为将穿过第一透镜192(例如，负透镜)的准直光在其可以到达眼睛4之前发送出；这样的第一透镜192可以被配置为产生轻微凸面的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自下一个上行波导184的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无限远处更靠近向内朝向眼睛4。类似地，第三上行波导186使其输出光在到达眼睛4之前穿过第一透镜192和第二透镜194；第一透镜192和第二透镜194的组合光焦度(optical power)可被配置为产生另一增量的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自第三波导186的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面从光学无穷远比来自下一个上行波导184的光更靠近向内朝向人。

其它波导层188、190和透镜196、198被类似地配置，其中堆叠中的最高波导190通过它与眼睛之间的所有透镜发送其输出，用于代表最靠近人的焦平面的聚合焦度(aggregate focal power)。当在堆叠波导组件178的另一侧上观看/解释来自世界144的光时，为了补偿透镜198、196、194、192的堆叠，补偿透镜层180可以设置在堆叠的顶部处以补偿下面的透镜堆叠198、196、194、192的聚合焦度。这种配置提供了与可用波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，两者之一或两者都可以是使用电活性特征而动态的。

在一些实施例中，波导182、184、186、188、190中的两个或更多个可具有相同的相关联的深度平面。例如，多个波导182、184、186、188、190可以被配置为输出设置到相同深度平面的图像，或者波导182、184、186、188、190的多个子集可以被配置为输出设置到相同的多个深度平面的图像，每个深度平面有一组。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视场。

继续参考图13，耦出光学元件282、284、286、288、290可以被配置为将光重定向到它们相应的波导之外并且针对与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同相关联深度平面的波导可具有不同的耦出光学元件282、284、286、288、290的配置，这些耦出光学元件依赖于相关联的深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件282、284、286、288、290可以是体积或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件282、284、286、288、290可以是体积全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征198、196、194、192可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，用于形成空气间隙的包覆层和/或结构)。

在一些实施例中，耦出光学元件282、284、286、288、290是形成衍射图案的衍射特征，或者说“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，以使得光束的仅一部分光通过DOE的每一个交点而偏转向眼睛4，而其余部分经由全内反射而继续移动通过波导。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处离开波导，并且结果对于在波导内反弹的该特定准直光束是朝向眼睛4的相当均匀图案的出射发射。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开”状态与它们不显著衍射的“关”状态之间可切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中包含衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，该图案活跃地衍射入射光)。

图14示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是应该理解，波导组件178中的其它波导可以类似地起作用，其中波导组件178包括多个波导。光400在波导182的输入表面382处被注入到波导182中，并且通过TIR在波导182内传播。在光400照射在DOE 282上的点处，一部分光如出射光束402离开波导。出射光束402被示出为基本上平行，但是如本文所讨论的，依赖于与波导182相关联的深度平面，出射光束402也可以以一角度(例如，形成发散的出射光束)被重定向以传播到眼睛4。应该理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，所述耦出光学元件将光耦出以形成看起来被设置在距眼睛4较大距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其它耦出光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，这将需要眼睛4适应更近距离以将其聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛4的距离的光。

在此描述了本发明的各种示例性示例。在非限制性意义上参考这些示例。提供这些示例以说明本发明的更广泛的应用方面。可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并可替换等同物。例如，虽然有利地与在多个深度平面上提供图像的AR显示器一起使用，但是本文公开的增强现实内容也可以由在单个深度平面上提供图像的系统显示。另外，虽然有利地用作显示系统的光源，但是本文公开的光源可以用于需要光发射器与其它结构的紧密间隔的其它应用中。

在一些实施例中，参考图2A-6，可以省略电接触660，并且可以使用类似于互连640的第二互连(未示出)来制造到光发射器610的第二接触(未示出)。例如，第二互连可以沉积在基板上以接触位于光发射器610的暴露表面上(例如，在光发射器的面向上的表面上，与接合衬垫650相对)的第二光发射器接合衬垫(未示出)和位于基板630上的第二基板接合衬垫。第二互连可以通过与第一互连640类似的方法来沉积，并且在一些实施例中，可以在沉积第二互连之前形成与电介质层670类似的电介质层(未示出)。

可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质的组成、过程、一个或多个过程动作或一个或多个步骤适应于本发明的一个或多个目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在此所描述和示出的各个变型中的每一个具有分离的组件和特征，其可以容易地与其它若干实施例中的任一特征分离或组合。所有这些修改旨在处于与本公开相关联的权利要求的范围内。

本发明包括可以使用主题装置执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的装置的动作。这种提供可以由用户执行。换句话说，“提供”动作仅仅需要用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、开启或以其它方式提供在该方法中的必要装置。在此所述的方法可以按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及按照所记载的事件顺序进行。

以上已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。关于本发明的其它细节，可以结合上述参考的专利和出版物以及本领域技术人员通常所知或理解的来理解这些。关于根据本发明的基础方法的方面在通常或逻辑上利用的附加动作方面同样可以成立。

另外，虽然已经参考可选地并入各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明不限于针对本发明的每个变型所构想的描述或指示的发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以替代等同物(为了简洁起见，不论在此是否包括)。此外，在提供了值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及在该所述范围内的任何其它所述或中间值都包含在本发明内。

另外，可构想的是所描述的本发明变形的任何可选特征可独立地或与在此所描述的特征中的任何一个或多个相结合来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和关联权利要求书所使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数对象，除非另有明确说明。换句话说，在上述描述以及与本公开关联的权利要求中，允许使用冠词的“至少一个”目标项。进一步应注意，可以起草这种权利要求以排除任何可选要素。因此，结合权利要求要素或使用“负面”限制，本声明旨在作为使用“单独地”、“仅”等排他性术语的先行基础。

在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加元素，不考虑在这种权利要求中是否列举了给定数量的要素或添加特征可以被认为是改变在权利要求中所述的元素的性质。除了在此具体定义之外，应在保持权利要求有效性的同时给定在此使用的所有技术和科学术语尽可能广泛的通常理解含义。

本发明的广度不限于提供的实施例和/或主题说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限定。