可切换照明设备和防窥显示器的制作方法

1.本公开大体上涉及来自光调制装置的照明，且更确切地说，涉及用于提供可切换角度照明以用于包含防窥显示器、高动态范围显示的显示器以及用于环境照明的光学堆叠。


背景技术：

2.防窥显示器向通常处于同轴位置的主用户提供图像可见性，并且向通常处于离轴位置的窥探者提供降低的图像内容可见性。可以通过微百叶窗光学膜来提供防窥功能，所述微百叶窗光学膜在同轴方向上透射来自显示器的高亮度，而在离轴位置上透射低亮度，然而这种膜是不可切换的，因此显示器仅限于防窥功能。
3.可以通过控制来自空间光调制器的离轴光学输出来提供可切换防窥显示器。可以借助于离轴亮度降低，例如借助于显示偏振器与额外偏振器之间的可切换偏振控制层来提供控制。
4.可以使用离轴亮度降低的背光源来提供或增强防窥功能。某些成像定向背光源能够另外通过显示面板将照明引导到观察窗中。可以在多个源与相应窗口图像之间形成成像系统。成像定向背光源的一个实例是光学阀，其可以采用折叠光学系统，并且因此也可以是折叠成像定向背光源的实例。光可以在一个方向上基本上无损耗地传播通过光学阀，而反向传播的光可以通过反射倾斜小平面来提取，如第9,519,153号美国专利中所描述，所述美国专利以全文引用的方式并入本文中。
5.由与液晶空间光调制器串联布置的单独可控光源阵列形成的背光源可以通过减小与空间光调制器上显示的图像的低亮度区对准的光源的输出光通量来提供高动态范围。高动态范围lcd(hdr-lcd)可以实现优于lcd光学模式可以单独提供的动态范围。在局部调光lcd背光源中提供用较低分辨率图像数据寻址的例如led(发光二极管)之类的光源阵列，使得图像的暗区域由背光源以低亮度照射，而亮区域以高亮度照明。
6.薄基板和聚合物基板lcd面板可以提供类似于有机led(oled)显示器的机械特性，例如柔性。这种薄基板lcd理想地使用具有类似机械特性的背光源。
7.一种类型的lcd背光源包括导光板和位于导光板一端的输入光源阵列，例如led。在波导内通过全内反射传播的光借助于表面特征输出，所述表面特征调整光在波导内的传播角度，并允许以接近掠过波导外部的角度提取。这种光借助于转向膜和/或后反射器在垂直于lcd的方向上引导。这种光学堆叠可能具有高效率，但具有多个光学部件，总背光源厚度通常为1mm或更大。这种边缘照明导光板通常不适用于hdr-lcd照明或自由形式形状的lcd的二维局部调光。
8.其它已知的背光源将发光二极管(led)阵列并入lcd后面的矩阵中，所述矩阵例如第2017-0261179号美国专利公开案中所描述的矩阵，其包括多个空间分离的已封装led和多个“蝙蝠翼”光学元件，每个蝙蝠翼光学元件被布置成在侧向方向上引导来自已封装led的光。这种光被强烈漫射以提供输出照明。这种背光源需要昂贵的拾取和放置led和单独的
光学对准，并且与边缘照明背光源相比具有高厚度和较低的效率。
9.用于例如汽车前灯、建筑、商业或家庭照明等环境照明的照明系统可以例如借助于用于提供聚光效果的聚焦光学装置提供窄的定向光输出分布，或者可以例如借助于漫射光学装置实现宽的定向光输出分布。
10.在本说明书中，led是指直接从单片晶片中，即从半导体元件提取的未封装led管芯芯片。这与已封装led不同，已封装led已经附接到引线框架以提供电极，并且可以组装到塑料封装中以便于后续组装。已封装led通常具有大于1mm的尺寸，且更通常具有大于3mm的尺寸，并且通过包含拾取和放置方法的常规印刷电路板组装技术进行组装。通过这种组装机放置的部件的精度通常可能为约正负30微米。这样的尺寸和公差使得无法应用于超高分辨率显示器。
11.微型led可以通过阵列提取方法来形成，在阵列提取方法中，多个led并行地从单片晶片移除，并且可以用小于5微米的位置公差来进行布置。
12.白色led照明光源可以由例如红色、绿色、蓝色和黄色等单独的光谱带构成，每个光谱带由单独的led元件产生。这样的光源使得用户能够分辨各个颜色，并且由于灯中光源的间距，可以产生彩色照明斑块。
13.反射折射元件结合了折射表面(折射光学)和反射表面(反射光学)，可以提供全内反射或从金属化表面的反射。第wo/2010/038025号wipo国际公开案中描述了采用具有小输出发光强度立体角的反射折射光学元件的背光源，所述公开案以全文引用的方式并入本文中。


技术实现要素：

14.根据本公开的第一方面，提供一种用于在预定区域上提供照明的照明设备，所述照明设备包括：跨所述预定区域排列的发光二极管的子阵列的阵列，每个子阵列的所述发光二极管形成在相应的半导体材料单片层上并被布置成向后输出光；以及跨所述预定区域、在所述发光二极管后方排列的光学元件的阵列，每个光学元件与发光二极管的相应子阵列对准，并且每个光学元件包括具有透射表面和反射表面的波导，所述反射表面布置在所述透射表面后方以接收来自发光二极管的所述相应子阵列的穿过所述透射表面的光，每个光学元件的所述反射表面包括：反射光输入结构，所述反射光输入结构被布置成在其中由所述反射光输入结构反射的光通过所述透射表面处的全内反射在所述波导内被导引由的方向上反射从发光二极管的所述相应子阵列接收的光；以及反射光提取小平面，所述反射光提取小平面被布置成在其中由所述反射光提取小平面反射的光从所述波导输出穿过所述透射表面的方向上反射在所述波导内导引的光。
15.有利地，可以提供薄的可切换定向照明设备。可以在大区域上提供宽间隔的子阵列，同时实现高图像均匀性。可以降低制造成本和复杂性。可以实现高亮度。
16.发光二极管以相应第一光输出分布输出光，并且光学元件以相应第二光输出分布从波导输出来源于相应子阵列的每个发光二极管的光，第二光输出分布的发光强度半最大立体角小于光来源于其的发光二极管的相应第一光输出分布的发光强度半最大立体角。第二光输出分布的发光强度半最大立体角与朗伯光分布的发光强度半最大立体角的比率可以小于1，优选小于0.5，更优选小于0.25并且最优选小于0.1。有利地，可以实现准直输出。
可以在期望的输出方向上实现高效率。
17.发光二极管的每个子阵列可以包括电极，所述电极被布置成提供子阵列的发光二极管中的至少两个的独立寻址。有利地，可以提供可切换定向剖面。
18.每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。有利地，可以在大区域上高效率地实现高均匀性。可以增大子阵列的间隔，从而降低制造成本和复杂性。
19.每个光学元件可以在围绕光轴的所有横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。有利地，可以用非常高的效率实现对称的角向光学输出。可以提供适用于风景和肖像防窥操作的照明设备。
20.每个子阵列的发光二极管可以包含在光学元件的光轴上、与所述光学元件对准的第一发光二极管，以及与光学元件的光轴偏置的、与所述光学元件对准的至少一个另外的发光二极管。有利地，可以提供具有可控角向尺寸的光锥。
21.在所述至少一个横截面平面中，反射光输入结构可以包括面向光轴外侧的第一倾斜反射表面和第二倾斜反射表面。第一倾斜反射表面和第二倾斜反射表面可以是弯曲的。有利地，来自子阵列的光可以有效地耦合到波导中。热点的可见性可以降到最低。
22.在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面可以包括面向光轴的多对倾斜小平面。有利地，来自led的光可以由阵列的多于一个光学元件提取。可以提高均匀性。
23.反射表面可以包括反射光提取小平面之间的反射平面区。有利地，光可以借助于导引在大区域上分布。可以降低led成本并提高均匀性。
24.反射平面区和反射光提取小平面可以具有阶梯结构。有利地，可以减少邻近光学元件之间的泄漏。背光源的动态范围可以增加。
25.在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面的间距可以随着与光学元件的光轴的距离而减小。反射光提取小平面的长度可以随着与相应光学元件的光轴的距离而增大。反射光提取小平面的总面积可以随着与相应光学元件的光轴的距离而增大。反射光提取小平面的总面积可以随着与相应光学元件的光轴的距离而成比例地增大。有利地，可以提高输出的均匀性。
26.反射光提取小平面中的一些可以被布置成引导尚未在光学元件内导引的光。有利地，可以在led附近提取一些光。可以降低led附近的热点或暗点的可见性。
27.每个光学元件的透射表面可以是平面的。有利地，降低了表面的成本和复杂性。提供光导，使得光分布在较宽的区域上并且使得照明设备的成本降低。
28.每个光学元件的透射表面可以进一步包括折射光输入结构，所述折射光输入结构形成在波导的透射表面中并且与发光二极管的相应子阵列对准，使得由所述发光二极管发出的光穿过折射光输入结构。每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。在至少一个横截面平面中，折射光输入结构可以包括多对相对倾斜的折射输入小平面。输入基板的透射表面可以包括折射光输入结构之间的平面区。有利地，可以提高波导中的输入的效率。
29.照明设备可以进一步包括透射支撑基板，发光二极管被透射支撑基板支撑在透射支撑基板的后侧上。有利地，可以降低led支撑基板的制造成本。
30.折射率低于波导的材料的透射材料可以布置在透射支撑基板与光学元件的透射
表面之间。透射材料可以是空气。光可以在光学元件内导引，从而有利地降低led成本并提高预定区域上的均匀性。
31.每个光学元件可以进一步包括折射光输出结构，所述折射光输出结构形成在透射支撑基板的前表面中、发光二极管的相应子阵列前方。每个光学元件的反射光提取小平面中的一些可以被布置成将光引导到光学元件的折射光输出结构。每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。在至少一个横截面平面中，折射光输出结构可以包括凹折射表面，所述凹折射表面被布置成提供负光功率。在至少一个横截面平面中，折射光输出结构可以包括多对相对倾斜的透射光偏转小平面。照明设备可以进一步包括布置在透射支撑基板的至少一个表面上的漫射体结构。穿过折射光输出结构的光的角向光输出分布可以与穿过透射支撑基板的不包括折射光输出结构的区的光的角向光输出分布基本上相同。有利地，可以从被led区遮挡的波导区提供准直光。可以提高均匀性。照明设备可以进一步包括布置在透射支撑基板的至少一个表面上的漫射体结构。有利地，可以提高均匀性。可以增大输出照明立体角以提供期望的角向输出特性。
32.照明设备可以进一步包括在发光二极管的每个子阵列与透射支撑基板之间提供的掩模区。有利地，降低了来自led附近的区的热点的可见性。
33.每个掩模区可以包括连接到子阵列的发光二极管的电极。有利地，可以方便地提供到led的电连接。
34.光学元件的反射表面可以具有形成在所述反射表面上的反射层。有利地，可以将光线提供给波导，否则这些光线不会被引导到导引线。反射层可以包括金属材料。有利地，可以方便地实现高效率。
35.每个光学元件的波导可以形成为集成体。有利地，可以降低制造成本。可以在邻近元件之间导引光，从而提高均匀性。
36.发光二极管可以具有至多300微米、优选至多200微米且更优选至多100微米的最大宽度。有利地，可以提供低成本的led并且可以减小装置厚度。
37.在至少一个横截面平面中，透射输出表面与反射表面之间的距离可以小于1000微米，优选小于500微米并且更优选小于250微米。有利地，可以提供低成本的照明设备。照明设备可以是柔性的。
38.发光二极管的子阵列的单片层的半导体材料可以是n型。每个子阵列可以进一步包括与单片层类型相反的半导体材料图案化层。每个子阵列可以进一步包括形成在图案化层上的图案化电极。可以减少提供子阵列的步骤的数量。有利地，可以降低成本和复杂性。可以实现光输出锥的期望对准。可以在预定区域上实现输出角度的均匀切换。
39.照明设备可以进一步包括控制系统，所述控制系统被布置成控制来自发光二极管的光的输出。有利地，可以控制照明设备的角向输出。
40.根据本公开的第二方面，提供一种显示设备，其包括：根据第一方面的照明设备；以及由所述照明设备照射的透射式空间光调制器。有利地，可以提供高动态范围(hdr)显示设备。此外，可以提供具有减少的移动图片响应时间(mprt)的显示器，从而提高快速移动对象的清晰度。显示器可以进一步具备可切换照明角度，以提供可切换防窥显示器、高效显示器和低杂散光显示器。
41.根据本公开的第三方面，提供一种用于在预定区域上提供照明的照明设备，所述
照明设备包括：透射支撑基板；由所述透射支撑基板支撑在所述透射支撑基板的后侧上并跨所述预定区域排列的发光二极管的子阵列的阵列，每个子阵列的所述发光二极管形成在相应的半导体材料单片层上并被布置成向后输出光；跨所述预定区域、在所述发光二极管后方排列的光学元件的阵列，每个光学元件与发光二极管的相应子阵列对准，并且每个光学元件包括具有透射表面和反射表面的后层，所述反射表面布置在所述透射表面后方以接收来自发光二极管的所述相应子阵列的穿过所述透射表面的光；以及透射材料，所述透射材料布置在所述透射支撑基板与所述光学元件的所述透射表面之间，其中所述后层、所述透射材料和所述透射支撑基板具有匹配的折射率，并且每个光学元件的所述反射表面包括：反射光输入结构，所述反射光输入结构被布置成在其中由所述反射光输入结构反射的光通过所述透射支撑基板的前表面处的全内反射在由所述后层、所述透射材料和所述透射支撑基板形成的波导内被导引的方向上反射从发光二极管的所述相应子阵列接收的光；以及反射光提取小平面，所述反射光提取小平面被布置成在其中由所述反射光提取小平面反射的光从所述波导输出穿过所述透射表面的方向上反射在所述波导内导引的光。有利地，照明设备可以提高反射表面与led阵列中的led之间的对准稳定性。
42.发光二极管以相应第一光输出分布输出光，并且光学元件以相应第二光输出分布从波导输出来源于相应子阵列的每个发光二极管的光，第二光输出分布的发光强度半最大立体角小于光来源于其的发光二极管的相应第一光输出分布的发光强度半最大立体角。
43.第二光输出分布的发光强度半最大立体角与朗伯光分布的发光强度半最大立体角的比率可以小于1，优选小于0.5，更优选小于0.25并且最优选小于0.1。
44.发光二极管的每个子阵列可以包括电极，所述电极被布置成提供子阵列的发光二极管中的至少两个的独立寻址。
45.每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。
46.每个光学元件可以在围绕光轴的所有横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。
47.每个子阵列的发光二极管可以包含在光学元件的光轴上、与所述光学元件对准的第一发光二极管，以及与光学元件的光轴偏置的、与所述光学元件对准的至少一个另外的发光二极管。
48.在所述至少一个横截面平面中，反射光输入结构可以包括面向光轴外侧的第一倾斜反射表面和第二倾斜反射表面。
49.第一倾斜反射表面和第二倾斜反射表面可以是弯曲的。
50.在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面可以包括面向光轴的多对倾斜小平面。
51.反射表面可以包括反射光提取小平面之间的反射平面区。
52.在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面的间距可以随着与光学元件的光轴的距离而减小。
53.反射光提取小平面的长度可以随着与相应光学元件的光轴的距离而增大。
54.反射光提取小平面的总面积可以随着与相应光学元件的光轴的距离而增大。
55.反射光提取小平面的总面积可以随着与相应光学元件的光轴的距离而成比例地增大。
56.反射光提取小平面中的一些可以被布置成引导尚未在光学元件内导引的光。
57.每个光学元件的透射表面可以是平面的。
58.每个光学元件的透射表面可以进一步包括折射光输入结构，所述折射光输入结构形成在波导的透射表面中并且与发光二极管的相应子阵列对准，使得由所述发光二极管发出的光穿过折射光输入结构。
59.每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。
60.反射平面区和反射光提取小平面可以具有阶梯结构。
61.在至少一个横截面平面中，折射光输入结构可以包括多对相对倾斜的折射输入小平面。
62.输入基板的透射表面可以包括折射光输入结构之间的平面区。
63.照明设备可以进一步包括透射支撑基板，发光二极管被透射支撑基板支撑在透射支撑基板的后侧上。
64.折射率低于波导的材料的透射材料可以布置在透射支撑基板与光学元件的透射表面之间。透射材料可以是空气。
65.每个光学元件可以进一步包括折射光输出结构，所述折射光输出结构形成在透射支撑基板的前表面中、发光二极管的相应子阵列前方。
66.每个光学元件的反射光提取小平面中的一些可以被布置成将光引导到光学元件的折射光输出结构。
67.每个光学元件可以在至少一个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性。
68.在至少一个横截面平面中，折射光输出结构可以包括凹折射表面，所述凹折射表面被布置成提供负光功率。
69.在至少一个横截面平面中，折射光输出结构可以包括多对相对倾斜的透射光偏转小平面。
70.照明设备可以进一步包括布置在透射支撑基板的至少一个表面上的漫射体结构。
71.穿过折射光输出结构的光的角向光输出分布可以与穿过透射支撑基板的不包括折射光输出结构的区的光的角向光输出分布基本上相同。
72.照明设备可以进一步包括在发光二极管的每个子阵列与透射支撑基板之间提供的掩模区。
73.每个掩模区可以包括连接到子阵列的发光二极管的电极。
74.光学元件的反射表面可以具有形成在所述反射表面上的反射层。
75.反射层可以包括金属材料。
76.每个光学元件的波导可以形成为集成体。
77.发光二极管可以具有至多300微米、优选至多200微米且更优选至多100微米的最大宽度。
78.在至少一个横截面平面中，透射输出表面与反射表面之间的距离可以小于1000微米，优选小于500微米并且更优选小于250微米。
79.发光二极管的子阵列的单片层的半导体材料可以是n型。
80.每个子阵列可以进一步包括与单片层类型相反的半导体材料图案化层。
81.每个子阵列可以进一步包括形成在图案化层上的图案化电极。
82.照明设备可以进一步包括控制系统，所述控制系统被布置成控制来自发光二极管
的光的输出。
83.根据本公开的第四方面，提供一种显示设备，其包括：根据第三方面的照明设备；以及由所述照明设备照射的透射式空间光调制器。
84.本发明的实施例的第三方面和第四方面的其它优点包含为本发明的实施例的第一方面和第二方面提供的那些优点。
85.这种设备可以用于lcd背光或用于家庭或专业照明。
86.本公开的任何方面可以任何组合的形式应用。
87.本公开的实施例可用于各种光学系统。实施例可以包含多种投影仪、投影系统、光学部件、显示器、微型显示器、计算机系统、处理器、自含式投影仪系统、视觉和/或视听系统和电气和/或光学装置，或与它们一起使用。本公开的各方面实际上可与涉及光学和电气装置、光学系统、展示系统的任何设备或可包含任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本公开的实施例可以用于光学系统、用于视觉和/或光学展示的装置、可视外围设备等以及多种计算环境中。
88.在进入详细的公开的实施例之前，应当理解，本公开在其应用或创建方面不限于所示的特定布置的细节，因为本公开能够有其它实施例。此外，本公开的各方面可以以不同的组合和布置来阐述，以定义其自身权利上独特的实施例。而且，本文使用的术语是出于描述的目的，而非限制。
89.通过阅读本公开的全部内容，本公开的这些和其它优点和特征对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
90.在附图中通过实例的方式示出实施例，其中相似的附图标记指示相似的部分。
91.图1是以侧面透视图示出包括背光源的显示设备的示意图，所述背光源包括被布置成照射lcd的微型led和反射折射光学元件；
92.图2是以俯视图示出包括背光源的显示设备的示意图，所述背光源包括被布置成照射lcd的微型led阵列和反射折射光学元件38阵列；
93.图3是以侧面透视图示出用于环境照明的准直输出光学堆叠的示意图；
94.图4是以俯视图示出包括中心和环形发光区的发光二极管的子阵列的示意图；
95.图5是以侧视图示出发光二极管的子阵列的示意图；
96.图6是以侧视图示出倒装芯片发光二极管的子阵列的示意图；
97.图7是以俯视图示出包括具有两个可寻址输出锥角的发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图；
98.图8是以俯视图示出包括具有三个可寻址输出锥角的发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图；
99.图9a-d是以俯视图示出包括具有两个可寻址输出锥角的发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图；
100.图10a是以俯视图示出包括发射器阵列的像素的发光二极管的子阵列的示意图；
101.图10b是以侧视图示出包括发射器阵列的像素的发光二极管的子阵列的示意图；
102.图11a-g是以平面图示出各自包括发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图；
103.图12a-b是以平面图示出子阵列与较大像素阵列的寻址电极的连接的示意图；
104.图13a-c是示出多个led的寻址方案的示意图；
105.图14a-d是示出用于多个led的寻址系统的示意图；
106.图15a-g是以电路符号形式示出示例发光二极管局部连接的示意图；
107.图16a是以侧面透视图示出背光源的后反射表面的示意图；
108.图16b是以至少一个横截面平面示出输出发光强度与从平面透射输入表面62到检测器平面上的照明角度的模拟剖面的示意图；
109.图17a是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中的光路的示意图；
110.图17b-c是示出图16a的后反射表面的剖面的说明性实施例的图表；
111.图18是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中用于中心发光二极管发光区的光路的示意图；
112.图19是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中用于所有发光二极管发光区的光路的示意图；
113.图20a是示出包括图16a的后反射表面的背光源和中心发光二极管发光区的输出亮度极性分布的图表；
114.图20b是示出包括图16a的后反射表面的背光源和中心发光二极管发光区在10度输出锥角内的输出亮度均匀性的图表；
115.图20c是示出包括图16a的后反射表面的背光源和中心发光二极管发光区在整个输出锥角内的输出亮度均匀性的图表；
116.图21是示出包括图16a的后反射表面的背光源和所有发光二极管发光区的输出亮度极性分布的图表；
117.图22是示出包括图16a的后反射表面的背光源和所有发光二极管发光区的输出亮度均匀性的图表；
118.图23是示出包括图16a的后反射表面的背光源和所有发光二极管发光区的输出亮度均匀性的图表；
119.图24是以展开正视图示出包括背光源的显示设备的层的示意图，所述背光源包括被布置成照射lcd的微型led阵列和反射折射光学元件38阵列；
120.图25是以俯视图示出来自微型led和包括用于反射折射输入基板的光输入微结构的反射折射光学元件的光线的示意图；
121.图26a是以俯视图示出被布置成提供漫射输出的led支撑基板的透射输出表面的示意图；
122.图26b是示出图25的折射微结构在反射折射光学元件的输入基板的透射侧上的输出发光强度变化的示意图；
123.图27是示出定向分布与朗伯定向分布相比的发光强度变化的示意图；
124.图28是示出归一化定向分布与朗伯定向分布相比的发光强度变化的示意图；
125.图29是以正视图示出设置在透射led支撑基板的至少一个表面上的漫射体结构的布置的示意图；
126.图30a是以正视图示出反射表面的反射光提取小平面的布置的示意图，其中反射折射光学元件具有六边形封装；
127.图30b是以正视图示出反射表面的反射光提取小平面的布置的示意图，其中反射折射光学元件具有方形封装；
128.图31是以透视侧视图示出具有图2所示类型的反射表面结构的一维反射折射光学元件38阵列以及对准的微型led阵列的示意图；
129.图32a是以侧视图示出反射折射光学元件38阵列的反射表面结构的示意图；
130.图32b是以侧视图示出包括图32a的结构的反射折射光学元件38阵列的示意图；
131.图32c是以透视侧视图示出具有图31d-e所示类型的反射表面结构的二维反射折射光学元件38阵列以及对准的微型led阵列的示意图；
132.图33是以俯视图示出光学元件的输入区和对准的微型led的示意图；
133.图34a是以俯视图示出来自微型led和包括附接到反射折射基板的led支撑基板的光学元件的光线的示意图；
134.图34b是以俯视图示出来自微型led和包括透射led支撑基板的光学元件的光线的示意图，其中透射基板的第二侧附接到反射折射基板；
135.图35a是以俯视图示出反射折射光学阵列和多个子阵列的示意图，其中反射输入结构不包括集成体；
136.图35b是以俯视图示出包括反射折射背光源和lcd的曲面显示器的示意图；
137.图36a是以侧面透视图示出包括背光源的显示设备的示意图，所述背光源包括被布置成照射lcd的微型led和反射折射光学元件，其中反射折射光学元件不包括被布置成利用反射折射光学元件提供导引的区；
138.图36b是以侧视图示出反射折射光学元件的示意图，所述反射折射光学元件被布置成其中反射折射光学元件不包括被布置成利用反射折射光学元件提供导引的区，并且子阵列被布置成与光轴对准；
139.图36c是以侧面透视图示出二维反射折射光学元件和子阵列的对准阵列的示意图；
140.图36d是以侧面透视图示出一维反射折射光学元件和子阵列的对准阵列的示意图；
141.图36e是以侧视图示出类似于图36b的反射折射光学元件的示意图，其中反射表面由菲涅耳(fresnel)反射器提供；
142.图37a是以侧面透视图示出单片led晶片的示意图；
143.图37b是以侧面透视图示出从单片led晶片提取子阵列的稀疏阵列的示意图；
144.图38是以侧面透视图示出将子阵列的稀疏阵列从图37a的单片led晶片放置到led支撑基板上的示意图；
145.图39是以侧面透视图示出包括输入基板和led支撑基板的背光源的组装的示意图；
146.图40是以侧面透视图示出高效率和高动态范围防窥显示设备的光学堆叠的示意图，所述光学堆叠包括被布置成照射空间光调制器的阵列背光源、反射偏振器和极性控制延迟器布置；
147.图41a是图1的布置的亮度的极性输出分布的示意图，其中来自发光二极管的照明用于防窥操作模式；
148.图41b是图40的延迟器堆叠布置的透射的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管；
149.图41c是图40的延迟器堆叠布置的反射率的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管；
150.图42a是图1与两个30度fwhm输出漫射体串联的布置的亮度的极性输出分布的示意图，其中来自发光二极管的照明用于公共操作模式；
151.图42b是图40的延迟器堆叠布置的透射的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管；
152.图42c是图40的延迟器堆叠布置的反射率的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管；
153.图43a是图40的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且在公共操作模式下勒克斯/尼特(lux/nit)比为1.0；并且
154.图43b是图40的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且在防窥操作模式下勒克斯/尼特比为1.0。
具体实施方式
155.显示器的专用操作模式是观察者看到低对比灵敏度使得图像不清晰可见的模式。对比灵敏度是区分静态图像中不同等级的亮度的能力的度量。反向对比灵敏度可以用作视觉安全性的量度，因为高视觉安全性级别(vsl)对应于低图像可见性。
156.对于向观察者提供图像的防窥显示器，视觉安全性可以如下给出：
157.vsl＝(y r)/(y-k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式1
158.其中vsl是视觉安全级别，y是在窥探者视角的显示器的白色状态的亮度，k是在窥探者视角的显示器的黑色状态的亮度，r是来自显示器的反射光的亮度。
159.面板对比率给定为：
160.c＝y/k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式2
161.对于高对比度光学lcd模式，白色状态透射随视角基本保持恒定。在本发明的实施例的对比度降低液晶模式中，白色状态透射通常随着黑色状态透射的增加而降低，使得
162.y k～p.l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式3
163.然后，视觉安全级别可以进一步给出为：
[0164][0165]
其中离轴相对亮度p通常被定义为在窥探者角度处的迎面亮度l的百分比，并且显示器可以具有图像对比度c，并且表面反射率是ρ。
[0166]
离轴相对亮度p有时称为防窥级别。然而，此类防窥级别p描述了与迎面亮度相比在给定极角的显示器的相对亮度，并且不是防窥外观的度量。
[0167]
显示器可以由朗伯环境照度i照射。因此，在完全黑暗的环境中，高对比度显示器具有大约1.0的vsl。当环境照度增加时，所感知的图像对比度降低，vsl增加并且感知到私密图像。
[0168]
对于典型的液晶显示器，对于几乎所有的视角，面板对比度c都在100:1以上，允许
视觉安全级别接近：
[0169]
vsl＝1 i.ρ/(π.p.l)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式5
[0170]
感知图像安全性可以从眼睛的对数响应确定，使得
[0171]
s＝log
10
(v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式6
[0172]
按以下方式确定s的理想极限。在第一步骤中，提供防窥显示装置。使用明视觉测量设备对显示装置的防窥级别p(θ)随极性视角的变化和显示装置的反射率ρ(θ)随极性视角的变化进行了测量。例如基本上亮度均匀的灯箱之类的光源被布置成提供来自被照明区的照明，所述被照明区被布置成沿着入射方向照射防窥显示装置，以便以与显示装置的法线成大于0
°
的极角反射到观看者位置。考虑到反射率ρ(θ)的变化，通过测量记录的反射亮度随极性视角的变化来确定基本朗伯发射灯箱的照度随极性视角的变化i(θ)。使用p(θ)、r(θ)和i(θ)的测量来确定安全系数s(θ)随极性视角沿零仰角轴的变化。
[0173]
在第二步骤中，在防窥显示器上提供一系列高对比度图像，包含(i)具有最大字体高度3mm的小文本图像，(ii)具有最大字体高度30mm的大文本图像和(iii)移动图像。
[0174]
在第三步骤中，每个观察者(在适当的情况下具有用于在1000mm处观看的视力校正)从1000m的距离观看每个图像，并且在零仰角处调整它们的极性视角，直到对于一只眼睛从显示器上靠近或接近显示器中心线的位置实现图像不可见性。记录观察者眼睛的极性位置。根据关系s(θ)，确定所述极性位置处的安全系数。对于不同的图像、对于各种显示亮度y
max
、不同的灯箱照度i(q＝0)、对于不同的背景照明条件和对于不同的观察者重复测量。
[0175]
从上述测量中，s《1.0提供低视觉安全性或没有视觉安全性，1.0≤s《1.5提供取决于图像内容的对比度、空间频率和时间频率的视觉安全性，1.5≤s《1.8对于大多数图像和大多数观察者提供可接受的图像不可见性(即没有可观察到的图像对比度)，而s≥1.8提供完全的图像不可见性，与所有观察者的图像内容无关。
[0176]
与防窥显示器相比，理想的是在标准环境照度条件下容易观察到广角显示器。图像可见性的一种度量是对比灵敏度，例如迈克尔逊对比度(michelson contrast)，其由下式给出：
[0177]
m＝(i
max-i
min
)/(i
max
i
min
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式7
[0178]
并且因此：
[0179]
m＝((y r)-(k r))/((y r) (k r))＝(y-k)/(y k 2.r)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式8
[0180]
因此，视觉安全级别(vsl)等于(但不同于)1/m。在本讨论中，对于给定的离轴相对亮度p，广角图像可见性w近似为
[0181]
w＝1/vsl＝1/(1 i.ρ/(π.p.l))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式9
[0182]
在本讨论中，来自期望的白点(uw',vw')的输出颜色(uw' δu',vw' δv')的颜色变化δε可以在假定典型的显示光谱光源的情况下通过cieluv色差度量来确定，并且由下式给出：
[0183]
δε＝(δu'2 δv'2)
1/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式10
[0184]
反射折射元件采用折射和反射，其可以是全内反射或来自金属化表面的反射。
[0185]
现在将描述各种定向显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同的元件具有共同的附图标记。注意，与任何元件有关的公开适用于其中提供相同或对应元件的每一个装置。因此，为了简洁起见，不再重复此类公开。
[0186]
期望提供为显示设备提供相对窄的输出锥角的准直照明设备100。在本公开中，准直用作针对来自显示器和/或背光源的窄角照明的公认术语，例如小于40度且通常小于30度的半值全宽(fwhm)亮度锥角。
[0187]
与常规的广角背光源相比，准直背光源可以为正面的观察者提供高效的光输出，从而在给定功耗下实现亮度的增加，或者在给定亮度下实现功耗的降低。准直背光源还可以为防窥显示器提供低离轴图像可见性。
[0188]
还期望提供用于防窥显示器的可切换准直照明设备100，其在第一操作模式下具有窄角输出并且在第二操作模式下具有广角输出。在操作中，可以为单个正面用户提供窄角输出，而可以为多个显示器用户提供广角输出。
[0189]
还期望提供环境照明设备，其用于利用准直照明从大照明区域以低眩光照射周围环境。
[0190]
期望提供用于显示器、显示器背光或用于家庭或专业环境照明的薄的可切换照明设备。环境照明可以包含对房间、办公室、建筑物、场景、街道、设备或其它照明环境的照明。显示器背光意指被布置成照射例如液晶显示器(lcd)等透射式空间光调制器的照明设备。例如在如本文将描述的高动态范围操作中，显示器背光源的微型led可以提供有图像信息。然而，像素数据通常由空间光调制器提供。
[0191]
还期望提供用于空间光调制器的薄背光源，其可以实现高动态范围的局部区域调光、薄封装、宽间距光源阵列和高均匀性。还期望为薄基板lcd的薄、柔性且自由形式形状(例如圆形)的背光源提供极小的边框(bezel)宽度，以实现具有高均匀性、高效率和hdr能力的适当光输出分布。
[0192]
现在将描述各种可切换显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同的元件具有共同的附图标记。注意，与任何元件有关的公开适用于其中提供相同或对应元件的每一个装置。因此，为了简洁起见，不再重复此类公开。
[0193]
图1是以侧面透视图示出包括照明设备100的显示设备的示意图，所述照明设备包括被布置成照射空间光调制器48的发光二极管3a、3b的子阵列以及光学元件38阵列的光学元件38的单位单元38a；并且图2是以俯视图示出包括照明设备100的显示设备穿过光轴11a、11b的横截面平面的示意图，所述照明设备包括被布置成照射例如lcd的空间光调制器48的发光二极管3a、3b的子阵列和光学元件38阵列的两个单位单元38a、38b。
[0194]
显示设备包括包含以下的显示设备：照明设备100；以及由照明设备100照射的透射式空间光调制器48。因此，背光源包括照明设备100，其被布置成向透射式空间光调制器48提供照明。
[0195]
照明设备100被布置成用于在预定区域上提供照明400。图1中的预定区域至少是空间光调制器48的活动区域，并且与所述活动区域相比通常超大以有利地为离轴观看位置提供均匀照明。
[0196]
空间光调制器48包括：输入偏振器210；tft基板212；通常用红色像素220、绿色像素222和蓝色像素224像素化的液晶层214；滤色器基板216和输出偏振器218。
[0197]
照明设备包括在预定区域上排列的发光二极管3的子阵列33的阵列。每个子阵列33的发光二极管3a、3b被布置成向后输出光，即远离空间光调制器48输出光。
[0198]
在操作中，将包含从子阵列33的led 3a输出的光线401的光线导向空间光调制器
48，并在接近光轴11方向的方向上输出所述光线。有利地，可以基本上使得led附近的照明热点不可见。如将描述，可以在预定角度和窄光束角度上实现更高的图像均匀性。
[0199]
相比之下，将包含从子阵列33的led 3b输出的光线407的光线导向空间光调制器48，并在远离光轴11方向的方向上输出所述光线。有利地，可以实现更宽的光学输出角向范围。如将在下文中进一步描述，可以实现可切换输出光束角度。
[0200]
照明设备进一步包括透射支撑基板50，子阵列33被透射支撑基板50支撑在所述透射支撑基板的后侧上。照明设备包括设置在支撑基板50上的子阵列33的二维阵列，即发光二极管3(或led 3)，其跨预定区域排列。支撑基板50可透过来自子阵列33的光线401、407从波导1提取的光线400通过基板50提取。有利地，实现了高效率输出。有利地，可以降低led支撑基板的制造成本。
[0201]
支撑基板50包括平面的第一表面52和第二表面54。有利地，子阵列33的阵列可以在与光学元件38分开的元件50上制造，所述元件可以具有适用于附接子阵列33的表面。可以提供更高的温度处理环境，从而降低制造成本。例如ito的透明电极8可以设置在基板50上。透射基板50可以是玻璃或聚合物材料。波导1可以是玻璃或者可以是聚合物材料。
[0202]
折射率低于波导1的材料的透射材料59布置在透射支撑基板50与光学元件38的透射表面62之间的间隙99中。在图1-2的实施例中，透射材料59是空气。光线401在波导1内导引。有利地，可以降低led成本并提高均匀性。
[0203]
可以提供粘合区80以将光导1附接到支撑基板50，从而实现两个结构之间的对准。可以在环境和机械变化期间进行对准。有利地，可以增加对温度变化的恢复力。
[0204]
子阵列33可以各自具备波长转换元件154。波长转换材料和/或光散射材料可以布置在波长转换元件154中以接收来自发光二极管3的光，以例如将来自氮化镓(gan)led的蓝色输出转换为白光或散射蓝光。波长转换材料可以是磷光体材料或量子点材料。有利地，本发明的实施例可以实现具有窄光束角度的白光输出。
[0205]
照明设备进一步包括在光子阵列33中的每一个与透射支撑基板50之间提供的掩模区7。掩模区不透明，并且通常具有反射性。来自每个led 3a、3b的光不直接从照明设备100输出。有利地，热点的可见性降低。此外，光可以从掩模区反射，从而提高效率。
[0206]
每个掩模区7包括连接到子阵列33的发光二极管3a、3b的电极700。子阵列33附近的光提取减少，并且有利地，热点减少。
[0207]
光学元件38的阵列跨预定区域、在子阵列33后方排列，每个光学元件38与相应的至少一个子阵列33对准，并且每个光学元件38包括具有透射表面62和反射表面64的波导1，所述反射表面布置在透射表面62后方以接收来自子阵列33的相应发光二极管3的穿过透射表面62的光。反射表面64可以提供围绕光轴11a、11b的照明设备100区38a、38b。如下文将进一步描述，有利地，可以提供均匀、薄且准直的照明设备。
[0208]
光学元件38的反射表面64具有形成在所述反射表面上的反射层65。以小于波导1的材料中的临界角的角度入射到反射表面上的光被引导到波导1内。有利地，提高了效率和均匀性。反射层65包括金属材料。可以以低成本和高反射率提供金属。有利地，可以实现高效率。
[0209]
每个光学元件38在至少一个横截面平面中具有关于光轴11的镜像对称性。在图1-2的布置中，每个光学元件38的反射表面64在围绕光轴11的所有横截面平面中具有关于光
轴11的镜像对称性。在光学元件在围绕光轴的所有横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性的情况下，光学元件具有关于光轴的旋转对称性。在这种情况下，光学元件可以布置成二维阵列。
[0210]
每个子阵列33的发光二极管3a、3b包含在光学元件38的光轴11上、与所述光学元件对准的第一发光二极管3a，以及与光学元件38的光轴11偏置的、与所述光学元件对准的至少一个另外的发光二极管3b。
[0211]
每个光学元件38的波导1形成为集成体。光学元件38可以提供为单层，从而有利地降低制造成本和复杂性。可以在邻近光学元件38之间导引光，从而有利地提高效率。
[0212]
每个光学元件38的反射表面64包括反射光输入结构68，其被布置成在通过透射表面62处的全内反射在由波导1内导引由所述反射光输入结构反射的光300的方向上反射从发光二极管3a、3b的相应子阵列33接收的光。
[0213]
光通过波导1扩散，从而有利地提高效率并增大led间距。给定厚度的led数量减少，从而有利地降低成本和复杂性，同时实现高均匀性。
[0214]
在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面72包括面向光轴11的多对倾斜小平面72a、72b。反射光提取小平面72被布置成在通过透射表面62从波导1输出由所述反射光提取小平面反射的光的方向上反射在波导1内导引的光线300。有利地，提供窄锥角输出，如下文将在说明性实施例中进一步描述。
[0215]
反射光提取小平面74中的一些被布置成引导尚未在光学元件38内导引的光线409。有利地，可以在led附近提取一些光。可以降低led附近的热点或暗点的可见性。
[0216]
反射表面64包括反射光提取小平面72之间的反射平面区71。有利地，通过表面62、64中的至少一些在波导内导引光。
[0217]
子阵列33位于波导1前方并且被布置成向后发出光，例如光线401、407。有利地，减少了热点并且提高了均匀性。
[0218]
在所述至少一个横截面平面中，反射光输入结构68包括面向光轴11外侧的第一倾斜反射表面69a和第二倾斜反射表面69b，其中第一倾斜反射表面69a和第二倾斜反射表面69b是弯曲的。
[0219]
说明性输出光线401由led 3引导到反射光输入结构68上，借助于平面透射表面62和平面小平面71在波导1内导引，并且由光提取特征72偏转以由空间光调制器48透射。下文将例如参考图17a进一步描述反射表面64的操作。
[0220]
气隙99设置在led 3与导引表面62之间。这种布置在输入平面表面62处使用折射，如下文将进一步描述，并且可以称为反射折射。
[0221]
有利地，可以提供薄的可切换照明设备。可以在大区域上提供宽间隔的led，同时实现高图像均匀性。可以降低制造成本和复杂性。可以实现高亮度。
[0222]
提供任选的反射再循环偏振器208以使偏振光在照明设备100内再循环。可以在反射偏振器208与光转向元件5之间布置另外的半波延迟器(未示出)，以使用来自反射表面64的反射来增加再循环光的亮度。可以提供漫射体203以提高均匀性，如下文将进一步描述。再循环光可以从反射表面64反射并借助于延迟器引导通过偏振器204或在照明设备100结构内散射。有利地，可以提高显示效率。
[0223]
照明设备进一步包括控制系统510、514、517，所述控制系统被布置成控制来自发
光二极管3a、3b的光的输出。控制系统包括：显示器控制器510、照明设备100控制器514和led阵列驱动器517，其被布置成控制来自led 3的阵列的光通量；以及slm控制器512，其被布置成控制空间光调制器48的像素220、222、224。可以向控制器514提供图像数据，使得子阵列的阵列的led 3a、3b由图像信息控制。控制系统510、514、517、512被布置成控制从发光二极管3发出的光的光通量，其中所述控制响应于供应到透射式空间光调制器48的图像数据。
[0224]
有利地，可以提供高动态范围图像。例如，在空间光调制器48上提供有黑色像素的图像区中，来自led阵列的led 3的光通量可减少，并且实现增大的图像对比度。进一步提高了显示效率。可以向图像的高亮区提供增大的亮度以实现进一步增强的动态范围。
[0225]
此外，可以与空间光调制器48的寻址同步地扫描照明设备100。可以提供具有减少的移动图片响应时间(mprt)的显示器，从而提高快速移动对象的清晰度。
[0226]
有利地，可以在薄的光学堆叠中提供可寻址照明。基板206、210可以包括例如厚度为150微米或更小的薄基板，所述基板可以是柔性的。薄基板可以是微片玻璃、已通过化学机械抛光变薄的玻璃，或聚合物基板，例如聚酰亚胺或无色聚酰亚胺。有利地，可以提供可以弯曲或可以用于柔性显示器的lcd，如下文将进一步描述。
[0227]
此外，对于例如移动显示器的应用，空间光调制器48的总厚度可以小于1mm，优选小于500微米，并且最优选小于250微米。可以在空间光调制器的活动区域内提供控制电子器件，以提供基本为零的边框，例如小于500微米的边框宽度。可以实现空间光调制器48的其它自由形式形状，例如圆形显示器，如下文将进一步描述。
[0228]
显示器可以进一步具备可切换照明角度，以提供可切换防窥显示器、可切换高效显示器、可切换低杂散光显示器，如下文将进一步描述。
[0229]
可能期望提供用于环境照明或其它照明目的的可切换定向照明设备以实现高照度和低眩光。
[0230]
图3是以侧面透视图示出包括被布置成照射周围环境的子阵列33的阵列的高效且空间可控环境照明可切换定向照明设备100的示意图。与图1-2的布置相比，省去了空间光调制器48。可以假设未进一步详细讨论的图3的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0231]
当操作子阵列33的阵列的led 3a时，来自照明设备100的光锥460中的输出光在接近法线11的方向上输出到预定区域方向，并且当操作led 3a、3b两者时，提供光锥462中的输出光。
[0232]
可以控制光输出以针对照明设备100的每个元件38在照明设备的预定区域上提供空间图案化的照明光锥。如将在下文中进一步描述，可以在窄锥角中实现高空间均匀性照明。
[0233]
有利地，可切换照明设备可以从大面积光源提供高均匀性的日光型照明。与小面积准直源相比，照明设备的亮度降低。可以减少图像眩光并实现高效率。
[0234]
此外，可以通过借助控制器510、514、517向照明设备提供图像数据以及省去空间光调制器48来改变照明的剖面以实现光斑纹模拟。可以实现室内操作期望的照明特性以模拟室外环境。
[0235]
现在将描述发光二极管3a、3b的子阵列33的结构和操作。
[0236]
图4是以俯视图示出包括中心发光区3a和环形发光区3b的发光二极管3a、3b的子阵列33的示意图；图5是以侧视图示出发光二极管3a、3b的子阵列33的示意图；并且图6是以侧视图示出倒装芯片发光二极管3a、3b的子阵列33的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图4-6的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0237]
每个子阵列33的发光二极管3a、3b形成在半导体材料的相应单片层400上，所述半导体材料例如可以是未掺杂gan。n型掺杂半导体层402在未掺杂的gan层400的上侧。
[0238]
每个子阵列33进一步包括与单片层400、402类型相反的半导体材料图案化层404，在说明性实施例中，所述半导体材料图案化层是p型掺杂半导体层404，其间形成有合适的多量子阱(未示出)。
[0239]
在图案化p掺杂层404的顶部，提供图案化电极406，其扩散发光二极管3a、3b中的电流。电极406扩散发光二极管中的电流，从而有利地减少电流拥挤并降低结温。
[0240]
每个子阵列33因此包括发光二极管3a、3b的阵列。有利地，led 3a、3b的对准是通过在制造期间掩蔽层来提供的。可以在预定区域上实现对光学输出的严格控制。与放置不位于单片层上的单独led 3a、3b相比，子阵列33的放置步骤的数量有所减少。降低了成本和复杂性。
[0241]
发光二极管3a、3b的每个子阵列33包括电极714a、714b和719a和719b，所述电极被布置成将发光二极管3a、3b连接到驱动电路(未示出)并提供子阵列33的发光二极管3a、3b中的至少两个的独立寻址。可以借助于绝缘体408防止电极719a接触发光二极管3b的表面。有利地，与具有单独放置的led 3a、3b的布置相比，电极附接的成本和复杂性有所降低。
[0242]
照明设备100进一步包括在发光二极管3中的每一个与透射支撑基板50之间提供的掩模区7。掩模区不透明，并且通常具有反射性。来自led 3的光不直接从照明设备100输出。有利地，热点的可见性降低。此外，光可以从掩模区反射，从而提高效率。
[0243]
发光二极管3a、3b可以各自具备波长转换元件154。波长转换材料和/或光散射材料可以布置在波长转换元件154中以接收来自发光二极管3的光，以例如将来自氮化镓(gan)led的蓝色输出转换为白光或散射蓝光。波长转换材料可以是磷光体材料或量子点材料。有利地，本发明的实施例可以实现具有窄光束角度的白光输出。
[0244]
如图5所示，波长转换元件154a、154b可以被图案化以减少相应的led 3a、3b的光学输出之间的泄漏。
[0245]
图6与图5的不同之处在于子阵列33安装有布置在单片层400与掩模7之间的电极714、719和406。在掩模区7是金属的情况下，掩模区7可以进一步形成到发光二极管3a、3b的电寻址连接的一部分。可以在子阵列33的转移期间提供倒装芯片布置。有利地，可以降低提供电极714、719的成本。
[0246]
现在将描述子阵列33内的发光二极管3的其它布置。
[0247]
图7是以侧视图示出包括具有两个可寻址输出锥角460、462的发光区阵列的发光二极管的子阵列33的示意图；并且图8是以侧视图示出包括具有三个可寻址输出锥角的发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图7-8的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0248]
图7与图4的不同之处在于发光元件3b不是连续的环形区，而是包括单独的发光
区。如下文将进一步解释，单独的发光区可以串联或并联连接，或以这两种方式的组合连接。有利地，光发射的剖面可以在不同的角向方向上变化。可以提供对非对称形状光学元件38的补偿。有利地，可以提高空间均匀性。
[0249]
图8与图7的不同之处在于提供了包括发光二极管3c的另一组发光区。与图3的锥462相比，这种阵列可以进一步增加锥尺寸。有利地，可以进一步控制角向输出剖面，并且可以实现更广的观看自由度。
[0250]
图8与图4的不同之处在于发光二极管3b成形为具有窄间隙的环状物。连接到发光元件3a的电极719a穿过所述间隙。可以在不需要绝缘体408的情况下进行到发光元件3a、3b的电极连接719a和719b。有利地，降低了制造成本。
[0251]
现在将描述发光二极管3a、3b的其它布置。
[0252]
图9a-d是以侧视图示出包括具有两个可寻址输出锥角的发光区阵列的发光二极管的子阵列的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图9a-d的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0253]
图9a与图8的不同之处在于形成发光元件3b的环状物包括单独的发光元件。单独的发光元件3b示出为并联连接到寻址电极719a、719b。当并联连接时，发光元件3b的驱动电压与单个元件相同，并且电流更大。因此，发光二极管3a、3b的驱动电压可以相同。
[0254]
有利地，驱动电路可以具有更少的电压轨并且因此更便宜。
[0255]
图9b与图9a的不同之处在于发光元件3b示出为具有单独的电极连接，并且因此可以单独控制。对发光元件的单独控制使得能够调整和提高照明设备的光学均匀性。
[0256]
图9c与图9b的不同之处在于发光二极管3b是串联连接的。因此电极连接更简单，并且通过所有发光二极管3b的电流相同，但所需的工作电压与发光元件3a相比有所增加。发光二极管3b可以由所示的更多单独二极管形成，并且可以与串联和并联电极的组合连接，例如，如下图14d的电路中示意性地示出。这种连接对单独二极管的故障具有一定的恢复力。有利地，提高了照明设备的良率和可靠性。
[0257]
现在将描述发光二极管子阵列的其它布置。
[0258]
图10a-b是分别以平面图和侧视图示出发光二极管256的子阵列33c的示意图，所述发光二极管包括可以被控制为白色发射器的发光区阵列。可以假设未进一步详细讨论的图10a-b的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0259]
图10a与图8的不同之处在于包括led 256的r、g、b组件33c的子阵列33c是一起驱动的。led 256可以例如由gan形成的所有发蓝光的led(未示出)，其可以包括颜色转换层(未示出)以形成白色发射器；可以使用多种颜色转换材料来形成白光发射器；或者可以由发出红光、绿光和蓝光的不同半导体材料形成。例如，子阵列33c可以作为单个白色发射器被寻址或驱动，或者可以形成可寻址发光元件3a、3b的全部或部分。
[0260]
led 256可以是形成在反射器252上的顶部发光led，所述反射器可以是例如au、pt、pd、rh、ni、w、mo、cr和ti的金属或者合金或其组合，并且可以任选地充当到led 256的电极连接。反射器252可以充当led 256的公共阳极或公共阴极。或者，反射器252可以通过透明绝缘体(未示出)与led 256绝缘。反射器252和led 256可以形成或组装在例如硅基板254的中间基板上。
[0261]
可以使用图37a、37b所示的方法将从不同半导体材料组装到硅基板254上的r、g、b组装到硅晶片上。随后，可以同样借助于图37所示的过程将子阵列33c与硅晶片基板分离，以在玻璃基板50上的许多子阵列33c的稀疏发射器阵列中形成发射器。硅基板254可以是基板或者本身可以并入有一些电路，例如存储装置、存储器和驱动电子器件，或者可以是例如图13a-c和图14a-d所示的集成电路。
[0262]
图11a-g是以平面图示出发光二极管的子阵列中的发射器和发射器间连接的布置的示意图，所述发光二极管包括可以被控制为单个白色发射器的发光区阵列。可以假设未进一步详细讨论的图11a-b的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0263]
图11a与图8的不同之处在于子阵列33c包括形成发射器的led 256。来自形成发射器的led 256的红光发射器通过示意性地示出的电极258r串联电连接并且共享公共电流ir。类似地，发绿光和蓝光的led 256分别串联布线。通过改变相应单独电流ir、ig、ib，可以控制子阵列33c的强度及其白点。
[0264]
图11b与图11a的不同之处在于led 256形成在包括r、g、g、b发射器的子阵列33c中。这种布置可以在眼睛更敏感的光谱的绿色区域中提供更高的亮度，并因此形成具有更少发射器元件的更亮源。在这种情况下，r、g、g、b元件布线成串联的串，如电极270所示意性地示出。这与图11a的不同之处在于，即使led本身的正向电压在不同的r、g、b之间变化，这种连接布置也会使每个串上的电压保持相同。这可以简化驱动电路并降低功耗。单独的r、g、g、b串可以与公共阳极或公共阴极连接(未示出)连接，或者可以进一步串联连接，从而减少到发射器的连接次数，但需要更高的驱动电压。保持如图所示的单独连接而不是在发射器处具有一个串联串提供了一定的容错性，因为单个开路装置不会阻止整个子阵列33c发光。
[0265]
图11c与图11b的不同之处在于子阵列33c由通过电极262寻址的串联连接的rgb led形成。
[0266]
图11d与图11a的不同之处在于子阵列33c由r、g、b、y led形成，其中y代表黄色或琥珀色发射器。led的这种布置可以提高来自子阵列33c的光的显色指数。
[0267]
图11e与图11c的不同之处在于子阵列33c由4
×
4阵列中的led 256形成，其中r、g、b元件分别由电极258串联连接。同样，分离子阵列33c的r、g、b元件的控制使得能够控制子阵列33c的白点。然而，如果r、g、b led 256的正向电压不同，则每个电极258将具有不同的电压源。
[0268]
图11f-g与图11b的不同之处在于子阵列33c由矩形的led 256形成。led可以定位在如图11f所示的矩形矩阵中，从而实现高封装密度，或可以按在产生如图11g所示的更圆对称的源的菱形形状定位，这可以更好地匹配例如图1所示的圆对称光学装置。led 256可以是例如r、g、g、b或r、g、b、y或所有蓝色发射器或其它发射颜色组合。
[0269]
led发射器形状、发射器颜色和电极连接拓扑的其它空间布置是可能的并且将从以上教导中得到理解。
[0270]
图12a示出到形成照明器的发射器的子阵列33c的连接的示意图，所述照明器例如显示器或背光源或环境照明设备。到led发射器256的阳极和阴极连接是通过电极258进行的。在连接到子阵列33c之后，这些连接可以水平或竖直地朝向与另一寻址电路的连接延
伸，所述寻址电路可以位于面板的边缘处或集成在面板本身内。电极258可以包括单独的电极258r、258b和258g，或者可以从图11a-e理解的其它布置，如图所示，所述电极彼此平行布置。
[0271]
图12a还示出平衡电极260。平衡电极不需要用于电寻址目的，并且可以被布置成使得它们不连接到阳极或阴极电极258。
[0272]
图12b示出存在平衡电极260以使通过基板50的空间光吸收平衡。因此，它们以与用于寻址子阵列33c的电极258相同的空间密度填充到子阵列33c的led 256的阳极和阴极连接之间的间隙。或者，平衡电极260可以连接到方便的阳极和阴极电极258，而不会引起子阵列33c的led的电短路。以这种方式，可以防止平衡电极260积累无法随后放电的电荷。
[0273]
图12b示出图12a的到五个子阵列33c的电极结构258。平衡电极260布置在间隙中，所述间隙之间填充有寻址电极。有利地，实现了均匀的输出亮度。
[0274]
现在将描述用于驱动发光二极管3a、3b的控制系统。
[0275]
图13a是示出多个led的寻址实施例的示意图。多个led中的led 3a、3b由列寻址电极700和行寻址电极702a、702b寻址以形成1维或2维矩阵或阵列。驱动电路包括tft 706、放大器704和705以及电容器718。在此实施例中，行电极702a、702b连接到tft 706的栅极，并且当向行寻址电极702a或702b应用脉冲时，来自列寻址电极700的数据被存储在电容器718上。电极702a和702b提供对led 3a、3b的单独寻址或控制。与通常用于矩阵中以驱动lcd面板的电容器相比，电容器718可以较小，并且可以由放大器704的输入电容来提供。放大器704可以驱动一个或多个led 3a。
[0276]
可以向放大器704提供1个或多个电源电压(未示出)。放大器704可以包含电压电流转换器电路。放大器704可以驱动一个或多个led 3a的一个或多个串。放大器705可以比放大器704更强大，以便驱动更大面积的led 3b。可以选择电压轨v1以使足够的电流能够流过led 3a、3b，而不会在放大器704中产生过多的功耗。可以为led 3a、3b的阵列中的每一个复制此电路，从而可以显示图像。
[0277]
led阵列的led 3a、3b可以从公共行寻址电极700驱动并且具有单独的列寻址电极700。与图8中需要更多行寻址电路的图示相比，此实施例需要更多的列寻址电路。
[0278]
图13b是示出子阵列33的多个led 3a、3b的另一寻址实施例的示意图。led 3b如图7所示单独提供，而不是作为连续区或环状物提供。形成led 3b的组中的三个led示出为并联连接。来自所述组的其它数量的led 3b可以并行驱动，其数量例如为9。
[0279]
每个发射器的led 3a、3b可以用如上所述的公共列或公共行来寻址。
[0280]
图13c是示出多个led 3a、3b的另一寻址实施例的示意图。在此实施例中，发光二极管3a、3b如图7所示单独提供，并且在这种情况下，发光二极管3a、3b串联连接。在这种情况下，放大器704、705中的电流将相似，但是考虑到串联连接的发光二极管3a、3b的正向电压降，电压轨v1和v2可能不同。
[0281]
现在将描述其它寻址方案。
[0282]
图14a是示出多个led的寻址系统的示意图。
[0283]
led 3a、3b也可以由如图14a中所描述的无源寻址矩阵控制。多个发光二极管3a、3b中的每个发光二极管3的电极分别连接到一个列寻址电极700和一个行寻址电极702以形成矩阵。在此实施例中，电流源716的阵列用于驱动寻址电极700。按顺序用脉冲调制行电极
702中的每一个上的电压以扫描或寻址发光二极管3的阵列。电流源716可以为每个列电极700提供，或者可以在一组列电极700之间进行时间复用(共享)。发光二极管3具有相对尖锐的电压-电流曲线，并且可以用非常短的脉冲进行操作而在它们之间没有串扰。发光二极管3的阵列形成可寻址照明设备100或显示器，而在每个发射器处不需要例如tft或集成电路的额外有源部件。但是，在寻址脉冲期间必须提供照射led的所有能量。另外，无源矩阵阵列的一些led会经历反向偏置电压，这可能会损坏led、过高或传递过多电流。有利地，寻址矩阵是简单且低成本的。
[0284]
可以期望在维持光输出水平的同时减小峰值led电流。
[0285]
图14b是示出多个led的另一寻址实施例的示意图。多个发光二极管3a、3b中的发光二极管3由列寻址电极700和行寻址电极702寻址以形成一维或二维矩阵。为了清楚起见，仅示出矩阵的一个led 3和一个列电极700以及一个行电极702。图14b与图14a的不同之处在于，每个led 3与集成电路708相关联，所述集成电路包含存储装置或存储器或锁存功能。集成电路708可以是模拟或数字电路，并且可以被实现为使用类似于led 3定位方法的方法定位的单独芯片，或者可以被实现为tft。可以向集成电路708提供一个或多个额外电源电势v1、v2(仅示出v1)。当向行电极702应用脉冲时，集成电路708的时钟输入710存储连接到数据输入712的列电极700电压。集成电路708的输出714驱动led 3。led的另一端连接到电源电势v3。集成电路708可以包含电压电流转换器。电势v3以及led 3的阳极和阴极连接可以被配置成使得led被正向偏置并且发出光。集成电路708向led 3提供驱动的时间长于行电极702上的寻址脉冲的持续时间，并且对发光二极管3a、3b的峰值电流驱动减少。有利地，降低了每个led 3a、3b中的峰值电流。
[0286]
图14c是示出多个led的另一寻址实施例的示意图。多个发光二极管3a、3b中的发光二极管3由列寻址电极700和行寻址电极702寻址以形成1维或2维矩阵或阵列。驱动电路包括tft 706、放大器704和电容器718。在此实施例中，行电极702连接到tft 706的栅极，并且当向行寻址电极702应用脉冲时，来自列寻址电极700的数据被存储在电容器718上。与通常用于矩阵中以驱动lcd面板的电容器相比，电容器718可以较小，并且可以由放大器704的输入电容来提供。放大器704可以驱动一个或多个发光二极管3a、3b。可以向放大器704提供一个或多个电源电压(未示出)。放大器704可以包含电压电流转换器电路。放大器704可以驱动一个或多个发光二极管3a、3b的一个或多个串。在此示例实施例中，示出了三个发光二极管3a、3b的两个串。发光二极管3a、3b的串的另一端连接到电势v2，并且从放大器704输出的电压必须比电压v2大发光二极管3a、3b的串的组合正向电压降(vf)，以使发光二极管3a、3b照明。
[0287]
期望实现显示器或照明设备100对单独发光二极管3a、3b的故障的一定恢复力。故障可能是可能例如由于发光二极管3a、3b在制造过程中的错误放置而引起的开路，或者可能是例如由于损坏的电极布线而引起的短路。
[0288]
图14d是示出多个led的另一寻址实施例的示意图。多个发光二极管3a、3b中的发光二极管3a、3b由一维或二维矩阵中的列寻址电极700和行寻址电极702寻址。在此实施例中，发光二极管3a、3b布置在桥接串中。这种配置为单独的led 3是开路或短路提供了一定的抗扰性。有利地，显示器或照明设备100可以是容错的并且更可靠。
[0289]
可以假设未进一步详细讨论的图13a-c和图14a-d的布置的特征对应于如上文所
讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0290]
现在将给出光学元件38的反射表面64的结构和操作的进一步描述。
[0291]
图15a-g示出子阵列33c内的局部连接的电路图。有利地，当使用大量小型led 256来实现期望的亮度时，所需的寻址电极258的数量可以减少。
[0292]
示出了2个、3个或4个led的组合，但更复杂的组合可以很容易地理解。两个或更多个发光led 256可以串联连接，但是如果一个led 256发生开路故障，则所述串联串中的所有led都会断开。两个或更多个led 256还可以并联连接，但是最有效的并联串组往往占用最多的电流。有利地，可以通过并入共享电阻器272来减少电流占用。
[0293]
图15e-g中还示出了具有串联和并联连接的四个led 256、具有桥接电极以提供一定容错性并且具有共享电阻器272的示例实施例。
[0294]
图16a是以侧面透视图示出用于准直光学元件38单位单元的反射表面64的示意图。照明设备100a的一个单位单元38a包括具有光轴11的反射表面64、输入区68和光提取小平面72。单位单元可以是如图所示的六边形、正方形或其它封装布置。可以假设未进一步详细讨论的图16a的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0295]
每个光学元件38在围绕光轴11的所有横截面平面中具有关于光轴11的镜像对称性。有利地，可以在大区域上实现高均匀性。可以增大led的间隔，从而降低制造成本和复杂性。
[0296]
在光学元件在围绕光轴的所有横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性的情况下，光学元件具有关于光轴的旋转对称性。在这种情况下，光学元件可以布置成二维阵列。
[0297]
在图1-2的实施例中，每个光学元件38的透射表面62是平面的。现在将描述图1-2的折射平面输入表面62的操作。
[0298]
图16b是以至少一个横截面平面示出波导内的输入发光强度500与从平面透射输入表面62到图2的平面输入表面62附近的检测器平面17上的照明角度502的模拟剖面506的示意图。
[0299]
led 3用朗伯输出剖面进行模拟，即发光强度随着输出角度的余弦而变化。剖面506源于此输出在平面输入表面62处的折射，并且具有期望的特征。首先，光受到波导1的介质中的临界角的约束。此外，发光度的剖面506在波导内随角度的变化很小，从而在反射输入结构68处实现高均匀性，并且可以在波导1内提供高亮度均匀性。有利地，可以放宽对准公差，并且可以提高均匀性。
[0300]
波导1可以被认为是反射折射光学元件，因为它结合了输入表面62处的折射和反射表面64处的反射。
[0301]
现在将描述光提取小平面72的操作。
[0302]
图17a是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中的光路的示意图；并且图17b-c是示出图16a的后反射表面的剖面的说明性实施例的图表。可以假设未进一步详细讨论的图17a-c的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0303]
光提取小平面72包括小平面72a、72b，它们是在至少一个横截面平面中面向相反方向的多对小平面。因此，小平面72a面向邻近子阵列33，而小平面72b面向光学元件38的邻
近单位单元中的子阵列。
[0304]
在图17a的实施例中，提供另一个竖直小平面72c，其实现反射表面64的阶梯形状。反射平面区71和反射光提取小平面72具有阶梯结构。有利地，光可以借助于导引在大区域上分布。可以降低led成本并提高均匀性。有利地，可以减少邻近光学元件之间的泄漏。可以增加高动态范围显示设备的动态范围。
[0305]
光线401、409分别由光提取小平面72a、74提供，如图所示。照明设备100进一步包括布置在透射支撑基板50的至少一个表面上的漫射体结构361。漫射体结构361提供来自输出光线401、409的光线466的扇形。
[0306]
现在将描述照明设备100的可切换操作。
[0307]
图18是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中用于中心发光二极管发光区的光路的示意图；并且图19是以侧视图示出包括图16a的后反射表面的光学结构中用于所有发光二极管发光区的光路的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图18-19的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0308]
与图17a的同轴光线路径401、409相比，光锥460由发光二极管3a的照明提供，并且光锥462由发光二极管3b的照明提供。有利地提供具有窄定向输出模式和宽定向输出模式的可切换照明设备。
[0309]
现在将描述说明性实施例。
[0310]
图20a是示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和中心发光二极管3a发光区的输出亮度极性分布的图表；图20b是示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和中心发光二极管发光区在10度输出锥角内的输出亮度均匀性的图表；并且图20c是关于表1的说明性实施例示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和中心发光二极管发光区在整个输出锥角内的输出亮度均匀性的图表。
[0311]
项值led 3a形状正方形led 3a尺寸(微米)50
×
50led 3a led 3b形状正方形led 3a led 3b尺寸(微米)150
×
150光学元件38单位单元形状六边形光学元件38最大宽度(mm)11.5光提取小平面72a、72b倾斜角(
°
)45光学元件38最大厚度，d(mm)0.26光学元件38边缘厚度，d(mm)0.05波导折射率，n1.58提取小平面72间距，p(mm)0.25漫射体fwhm(
°
)10
[0312]
表1
[0313]
子阵列33包括发光二极管3b，其(连同发光二极管3a)具有至多300微米、优选至多200微米并且最优选至多100微米的最大宽度。在至少一个横截面平面中，透射输出表面与
反射表面64之间的距离小于1000微米，优选小于500微米，并且更优选小于250微米。有利地，可以减小半导体材料的总面积，从而实现降低成本。可以提供低厚度的照明设备100。照明设备可以是柔性的并且具有高均匀性。
[0314]
发光二极管3a、3b以相应的第一光输出分布输出光，第一光输出分布的输出通常为朗伯或接近朗伯。参考图18，光学元件38以相应的第二光输出分布从波导1输出来源于相应子阵列33的每个发光二极管3a的光，第二光输出分布的发光强度半最大立体角小于光来源于其的发光二极管3a的相应第一光输出分布的发光强度半最大立体角。在led 3a被照明的情况下，第二光输出分布的发光强度半最大立体角与朗伯光分布的发光强度半最大立体角的比率小于1，优选小于0.5，更优选小于0.25并且最优选小于0.1。
[0315]
图20b-c示出在预定区域上实现准直光的高均匀性。有利地，可以实现高均匀性的准直输出。可以在期望的输出方向上实现高效率。可以提供适用于防窥显示器、高效显示器和低杂散光夜间模式显示器的照明设备100。
[0316]
现在将描述led 3a、3b被照明的操作。
[0317]
图21是示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和所有发光二极管发光区3a、3b的输出亮度极性分布的图表；图22是示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和所有发光二极管发光区的输出亮度均匀性的图表；并且图23是关于表1的说明性实施例示出包括图16a的后反射表面的照明设备100和所有发光二极管发光区的输出亮度均匀性的图表。
[0318]
参考图19，光学元件38以相应的第二光输出分布从波导1输出来源于相应子阵列33的每个发光二极管3a、3b的光，第二光输出分布的发光强度半最大立体角小于光来源于其的发光二极管3a、3b的相应第一光输出分布的发光强度半最大立体角。
[0319]
第二光输出分布的发光强度半最大立体角与朗伯光分布的发光强度半最大立体角的比率小于1，优选小于0.5，更优选小于0.25并且最优选小于0.1。
[0320]
现在将进一步描述光学结构在光学阵列平面中的布置。
[0321]
图24是以展开正视图示出包括照明设备100的显示设备的层的示意图，所述照明设备包括被布置成照射空间光调制器48的led阵列和光学元件38阵列。可以假设未进一步详细讨论的图24的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0322]
反射表面64包括多个镶嵌多边形，在此图示中，六边形区90以光轴11a、11b和11c为中心。六边形区布置在照明设备100的宽度上，并且表示每个光学元件38在反射表面64的平面中的位置。每个光学元件38包括反射光输入结构68和反射小平面72、74，如下文将进一步描述。
[0323]
透射输入表面62包括以与反射表面64相同的相应光轴11a、11b和11c为中心的六边形区91。折射光输入结构66被布置成与光轴11a、11b和11c对准。
[0324]
多个发光二极管3a、3b以六边形区92为中心，并且以与反射表面64相同的相应光轴11a、11b和11c为中心。
[0325]
透射led支撑基板50的第一表面54包括以与反射表面64相同的相应光轴11a、11b和11c为中心的六边形区93，以及可以是电极的不透明区7，以及用于向发光二极管3a、3b中的每一个提供电连接的寻址电极8，所述发光二极管各自被布置成与光轴11a、11b和11c对准。
[0326]
透射输出表面52包括以与反射表面64相同的相应光轴11a、11b和11c为中心的六边形区94，以及折射光输出结构56。
[0327]
通过透射输出表面52输出的光可以入射到漫射体203、反射偏振器和空间光调制器48上，所述空间光调制器包括输入偏振器204、液晶像素层208和输出偏振器212。出于说明性目的，示出了与空间光调制器48对准的六边形结构的位置，从而示出许多像素可以由每个光学元件38照射。可以提供光学元件38在光学阵列中的布置以最小化最终输出图像中斑点(mura)的出现。此外，可以调整所述布置以优化多个发光二极管3a、3b的高动态范围寻址的出现。
[0328]
期望来自多个发光二极管3a、3b的光分布成使得输出亮度在每个光学元件38的区域上基本空间均匀，并且发光强度定向分布对于所述区域上的每个区基本相同。此外，期望在光学阵列的邻近光学元件38上提供这种空间和定向均匀的光输出分布，以实现对空间光调制器48的期望均匀照明。
[0329]
现在将参考来自led 3的光的某些光线路径进一步描述实现空间均匀光输出分布的光学阵列的操作。
[0330]
图25是以俯视图示出来自led 3和包括用于波导1的折射光输入微结构66的光学元件38的光线的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图25的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0331]
多个发光二极管3a、3b布置在反射表面64与透射输出表面52之间。每个光学元件38的透射led支撑基板50的第一表面54包括掩模区7，其中多个发光二极管3a、3b中的相应一个或多个发光二极管3a、3b布置在掩模区7与反射表面64之间。
[0332]
掩模区7进一步设置在折射光输出结构56与多个发光二极管3a、3b中的相应一个或多个发光二极管3a、3b之间。掩模区7与光学元件38的光轴11对准，并且可以由如图1所示的led 3的寻址电极提供，所述寻址电极例如包括铝或其它反射金属材料。不在掩模区7中的驱动电极8可以由例如ito或银纳米线的透射导体材料提供，以有利地提高穿过透射led支撑基板50的光透射的效率。
[0333]
多个发光二极管3a、3b被布置成用光线300、302、304、306、308照射反射表面64。来自子阵列33的光线300、302、304、306、308入射到与子阵列33对准的波长转换层5上。微型led可以包括发蓝光的氮化镓led芯片，并且波长转换层5可以例如包括磷光体或量子点材料，其可被布置成将一些蓝光转换成黄光或者红光和绿光。子阵列33可以包括发出紫外线的led，并且波长转换材料被布置成提供白光输出。
[0334]
光线300、302、304、306、308被导向反射表面64并且通过掩膜区7防止直接照射透射输出基板52，所述掩模区保护透射输出表面52免于来自子阵列33的光。与本发明的实施例相比，如果不存在掩模区7，则来自子阵列33的光线将直接透射到透射输出表面52并以朗伯发光强度定向分布从表面52输出，对于某些视角，会不理想地在led位置提供热点。有利地，掩模区7减少热点的出现。
[0335]
掩模区7还可以是反射性的，使得从反射表面64向子阵列33反射的利用光学阵列传播的光线被反射和再循环。有利地，可以提高照明设备100的效率。
[0336]
光线300示出来自子阵列33的穿过折射光输入结构66的光线路径。光输入结构66提供来自微型led的发光强度角向分布的重新分布，并将在下文进一步描述。光线300在从
反射表面64延伸到透射输出表面52的反射光输入结构68处入射到反射表面64上。在穿过光轴11的至少一个横截面平面中，反射光输入结构68包括第一内表面69a和面向第一内表面的第二内表面69b。第一内表面69a和第二内表面69b可以包括弯曲的反射表面69a、69b。有利地，光可以在波导1内有效地反射。
[0337]
对于光学阵列的每个光学元件38，折射光输入结构66和反射光输入结构68被布置成将来自相应对准的至少一个子阵列33的至少一些光引导为在反射折射光学阵列内导引的光线300。光线300在波导1内由表面69a反射，并进一步入射到透射表面62上，所述透射表面包括在输入结构66之间延伸的平面区63。光线300的入射角大于波导1与可以包括空气的间隙99的界面处的临界角，并且所述光线在反射表面64与透射输入表面62之间的光学元件38内被导引，使得所述光线被引导回反射表面64，所述光线在所述反射表面处入射到倾斜小平面70a上。
[0338]
有利地，光线300可以被引导到远离子阵列33的光学元件38区。此外，在波导1内对光线300的导引减小了光学阵列的总厚度75。
[0339]
多个反射光提取小平面72被布置成引导光穿过光学阵列的透射输出表面52。反射表面64的一些反射光提取小平面72被布置成引导至少一些光在基本上垂直于透射输出表面52的方向上穿过光学元件38的透射输出表面52。换句话说，小平面70a可以倾斜以使导引的光线300在基本上平行于光轴11的方向上偏转。可以在接近光轴11的方向的其它输出角度下提供在波导1内导引的其它光线(未示出)，如下文将进一步描述。
[0340]
反射光提取小平面72由来自具有有限照明锥角的光输入结构68的光锥照射。因此，来自小平面72的角向输出在输出到空气中时具有非朗伯输出。小平面72可以进一步布置为弯曲表面的元件，以在元件38的宽度上实现增加的准直。来自光学元件的照明锥角可以是非朗伯的，如下文将描述。有利地，与朗伯照明设备相比，可以提高正面观看的显示效率。此外，对于期望类似于朗伯显示器的角向输出的显示器，例如对于高度弯曲的显示器，可以实现朗伯漫射体的均匀照明。此外，用于防窥显示器的照明设备100可以具备降低的离轴亮度，使得显示器对于离轴观看位置不清晰可见。
[0341]
光线302示出在从弯曲的内表面69b反射之后入射到反射表面64的至少一些反射光提取小平面72之间的反射平面区71上的光线路径。光线300在波导1内被导引，使得所述光线被引导到光学阵列的相邻光学元件38中。
[0342]
来自相邻光学元件38的这种光线进一步由光线306示出。反射表面64的反射光提取小平面72由多对倾斜小平面72a、72b提供，所述倾斜小平面以相反的倾角倾斜。光线306入射到倾斜的反射小平面70b上以在基本上垂直于基板1、50的平面的方向上被引导到输出表面52。
[0343]
有利地，光线302、306可以在相邻光学元件38之间提供一定的混合。这种混合可以在两个元件38之间的标称界面处提供空间均匀性。此外，标称界面处的发光强度定向分布基本相同，从而提高各种视角下的均匀性。有利地，提高了显示均匀性。
[0344]
期望在光轴11附近实现均匀的输出发光强度分布，对于未在波导管1内导引的光，如光线304所示。布置在光学元件38的反射表面64上的一些反射光提取小平面72被布置成引导未在光学阵列内导引的光线304。有利地，可以提高空间均匀性，同时实现在光学元件38的不同区上相同的发光强度角向定向分布。
[0345]
光线308可以从掩模7与空间光调制器48之间的透射输出表面52区提供。光线308示出在表面52的原本被遮蔽区中实现照明的光线路径。相应光学元件38的反射表面64的光反射小平面74被布置成将光引导到折射光输出结构56。在至少一个横截面平面中，折射光输出结构56包括多对相对倾斜的透射光偏转小平面57a、57b。如图24所示，包括多对相对倾斜的透射光偏转小平面57a、57b的折射光输出结构56可以在透射输出表面52的平面中圆对称或椭圆对称。六边形边界可用于光学元件阵列以提供连续阵列。小平面72、74可以与光轴同心，但可以在每个光学元件38的外部区中中断。
[0346]
穿过折射光输出结构56的光的角向光输出分布与穿过透射支撑基板50的不包括折射光输出结构56的区的光的角向光输出分布基本上相同。
[0347]
为了继续说明性实施例，小平面57a、57b可以是平面的小平面，其表面法线方向在至少一个横截面平面剖面中相对于光轴11具有60度的倾角。
[0348]
粘合区80还可以包括透射材料，使得在波导1中导引的一些光线316被引导以在透射led支撑基板50内导引。这种导引光可以降低不均匀性，并且可以借助于基板50上或其中的漫射或通过折射光输出结构56来提取。
[0349]
现在将进一步描述光输入结构66的操作。
[0350]
如图25所示，对于至少一个横截面平面中的每个光学元件38，波导1的透射表面62包括与相应光轴11对准的折射光输入结构66。每个光输入结构66从透射输入表面62延伸到波导1的反射表面64。换句话说，折射光输入结构66可以是布置在波导1的透射输入表面62上的微结构。折射输入结构66可以完全或部分凹陷到波导1中，或可以从表面62突出。折射输入结构66可以例如借助于uv铸造、印刷、压印或注塑成型在例如聚合物或玻璃的透射基板的表面上形成。
[0351]
折射光输入结构66包括多对相对倾斜的折射输入小平面67a、67b，其可以在至少一个横截面平面中以相对于法线方向相等且相反的倾角倾斜。在光学阵列38的平面中，多对倾斜的折射输入小平面67a、67b是圆对称或椭圆对称的。在说明性实施例中，每个输入小平面可以具有平面表面并且每个表面67a、67b与光轴11的角度可以是52度。例如，微结构的间距可以是50微米。有利地，折射输入小平面67a、67b可以具有低深度，从而最小化整个照明设备100的厚度75。
[0352]
在至少一个横截面平面中，反射光提取小平面72具有随着与光学元件38的光轴11的距离而减小的间距f。有利地，可以提高均匀性。
[0353]
期望回收来自包括lcd的空间光调制器48的不需要的偏振光。反射偏振器202被布置成提供从光学元件38的反射表面64反射的光的偏振再循环。入射光线308、310通常是非偏振的，并且单个偏振态311被透射，而正交偏振态被反射。可以是四分之一波片的任选延迟器201可以被布置成将反射的偏振态修改为反射表面64的平面区71。反射光具有偏振态，其被转换成正交偏振态并通过反射偏振器202透射。有利地，可以提高效率。此外，布置在反射偏振器和/或延迟器上的漫射层可以被布置成进一步提高空间均匀性并降低斑点可见性。与常规的光再循环背光源相比，由于没有使用单独的后反射层(厚度通常可以是0.1mm或更大)，因此降低了厚度和成本。
[0354]
漫射体203可以由表面和/或体漫射结构提供。还可能期望为从输出折射微结构56输出的光提供漫射。
[0355]
现在将描述可以在led 3的区附近任选地提供的光学结构。
[0356]
图26a是以俯视图示出光学元件38的细节的示意图，所述光学元件包括led支撑基板的透射输出表面52的折射光输入结构66和折射光输出结构56，所述led支撑基板被布置成其中结构56进一步提供漫射输出。可以假设未进一步详细讨论的图26a的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0357]
每个光学元件38进一步包括折射光输出结构56，其形成在透射支撑基板50的前表面中、相应的至少一个发光二极管3前方。每个光学元件38的反射光提取小平面72中的一些被布置成将光线308引导到光学元件38的折射光输出结构56。每个光学元件38在至少一个横截面平面中具有关于光轴11的镜像对称性。
[0358]
在至少一个横截面平面中，折射光输出结构56可以包括凹折射表面，所述凹折射表面被布置成提供负光功率。
[0359]
在图26a的实施例中，在至少一个横截面平面中，折射光输入结构56包括多对相对倾斜的折射输入小平面57a、57b。换句话说，折射光输出结构56包括多对相对倾斜的透射光偏转小平面。透射光偏转小平面57a、57b可以具备弯曲表面，使得来自表面57a、57b的光线308的光锥立体角342与来自可以布置在表面52上的漫射体表面352的锥340基本相同。
[0360]
因此，来自折射光输出结构56的光的角向光输出分布与来自多个反射光提取小平面72的透射穿过不包括折射光输出结构56的透射输出基板区的光的角向光输出分布基本相同。有利地，可以提高led 3的区中的空间和角向均匀性。
[0361]
输入基板的透射表面62包括折射光输入结构56之间的平面区74。
[0362]
图26a进一步示出一个实施例，其中每个光学元件38的透射表面62进一步包括折射光输入结构66，其形成在波导1的透射表面62中并与相应的至少一个发光二极管3对准，使得由所述发光二极管发出的光穿过折射光输入结构56。每个光学元件38在至少一个横截面平面中具有关于光轴11的镜像对称性，并且包括折射小平面67a、67b。
[0363]
现在将进一步描述子阵列33和折射光输入结构66的输出。
[0364]
图26b是以至少一个横截面平面示出模拟输出发光强度500与从折射光输入结构66到标称检测器平面17上的照明角度502的剖面504的示意图，所述标称检测器平面布置在光输入结构66与反射表面64之间并且被布置成在光入射到反射表面64上之前接收光。可以假设未进一步详细讨论的图26b的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0365]
剖面504在同轴的方向上具有倾角505，因此降低的发光强度被导向图26a的折射光输入结构68的尖端69c的轴向位置。小平面67a、67b在照射后反射表面64的反射小平面74的峰507附近的方向上提供增加的发光强度，并增加被引导到折射光输出结构56的光线308的发光强度。
[0366]
有利地，在折射光输出结构56的区中提供增加的发光强度，并且可以提高透射输出表面52上的输出均匀性。此外，可以减小led支撑基板50的厚度和总厚度75。可以向光提供与输出表面52的其它区相匹配的空间和角向发光强度分布。可以保持各种视角下的显示均匀性，从而最大限度地减少图像斑点。
[0367]
现在将描述说明性实施例的输出定向分布。
[0368]
图27是以一个横截面平面示出来自本实施例的阵列的定向分布520与朗伯定向分
布530相比的示意图；并且图28是以一个横截面平面示出归一化定向分布520的立体角与归一化朗伯定向分布530相比的示意图。
[0369]
发光强度是光锥中能量密度的量度，并且是每单位立体角的流明数。在本发明的实施例中，发光强度半最大立体角描述了照明输出锥的对向尺寸，其中发光强度为每个方向上峰值发光强度的一半。
[0370]
显示器的亮度由每对向单位面积的发光强度确定。朗伯表面的亮度与视角无关，因此发光强度同观察角度与表面法线方向的余弦成正比。
[0371]
发光强度半最大立体角是由光锥定义的立体角，其中任何方向上的发光强度下降到峰值发光强度的50％。半值全宽角2θ的对称锥的立体角ω由下式给出：
[0372]
ω＝2π*(1-cosθ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式13
[0373]
朗伯光源具有发光强度的余弦分布，使得图28所示的fwhm 542为120度，并且半角θ是60度。在本发明的实施例的二维阵列中，定向分布也是二维的，使得剖面520、530表示输出的立体角。
[0374]
在本发明的实施例中，输出是定向的，即光输出分布540的发光强度半最大立体角因此小于来自多个发光二极管3a、3b(其具有基本朗伯输出)中的每一个的光输出分布的发光强度半最大立体角。本发明的实施例实现的半最大立体角小于π球面度，并且单个横截面平面中的半锥角θ小于60度，优选小于大约40度，更优选小于大约30度并且最优选小于大约20度。换句话说，本发明的实施例的发光强度半最大立体角与朗伯光源的发光强度半最大立体角的比率小于1，优选小于50％并且更优选小于25％。对于防窥显示器，所述比率最优选小于10％。
[0375]
在本公开中，角向定向分布是指显示器上的点的发光强度分布，换句话说，角向定向分布是所述点的光线密度随角度的扩散。显示器的均匀性表示对于任何给定视角的光学阵列上的空间分布。
[0376]
期望提供在至少一个横截面中并且在与至少一个横截面正交的方向上基本相同的光锥角向输出，使得输出锥角在整个光学阵列上是均匀的。
[0377]
图29是以正视图示出设置在透射led支撑基板50的表面52、54中的至少一个上的漫射体的布置的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图29的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0378]
漫射体结构352可以包括径向延伸的透镜表面，其在与例如图2所示的至少一个光学横截面正交的方向上提供漫射。
[0379]
在预定区域的平面内，光的扩散可能与子阵列33的尺寸有关。这种角度可以随着与子阵列33的距离而变化，并且可以不同于剖面520的角度。期望实现垂直于预定区域的光锥角，所述光锥角类似于横截面平面中的锥角340。
[0380]
图29的径向透镜可以具备恒定的曲率半径，并且因此，透镜的垂度随着与光轴11的距离而增加。可以通过增大从子阵列33进一步输出的光的垂度并且有利地提高与图2的至少一个横截面平面正交的平面中的光锥的均匀性来增加漫射。有利地，可以改进定向分布的空间和角均匀性。
[0381]
期望提供具有高空间和角均匀性、非常低的边框宽度并且具有自由形式形状的显示器。现在将以正视图进一步考虑本发明的实施例的光学结构的布置。
[0382]
图30a是以正视图示出反射表面64的反射光提取小平面72的布置的示意图，所述反射表面具有六边形范围90和光学元件38的六边形封装。可以假设未进一步详细讨论的图30a的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0383]
在阵列平面中，反射光提取小平面72、74是圆对称的。光学元件38的多个反射光提取小平面72与所述光学元件38的光轴11同心。
[0384]
示出了如图25中描述的光线300、304、306、308的传播。来自与光轴11对准的子阵列33的光被引导通过空间光调制器48的像素220、222、224中的每一个，这些像素具有基本相同的发光强度定向分布。有利地，可以高效率地实现高空间均匀性。
[0385]
在其它实施例(未示出)中，反射光提取小平面可以关于光轴11椭圆对称。椭圆形光提取小平面72、74可以在正交方向上提供不对称的光输出锥，例如以在一个方向上提供比在另一个方向上更优的观看舒适度。例如，与仰角方向相比，固定横向显示器在侧向方向上可能具有更高的观看自由度。有利地，可以提高效率或增加观看自由度。
[0386]
参考图2的显示器的下边缘，密封区209中未提供像素，并且在密封区209之外，液晶层208包括像素220、222、224。密封区的宽度可以是1mm或更小。图30a进一步示出了可以从布置在光学阵列边缘上的反射材料61反射的光线路径301，如图2中的光线301所示。有利地，可以最小化显示器边框宽度并且实现自由形式的显示器形状，例如图30a所示的曲面显示器角。
[0387]
期望提供对显示亮度均匀性的进一步控制。
[0388]
在旋转对称的光学元件38中，提取光的发光强度随着与光轴11的距离而下降，因为反射小平面72的总面积随着距离而增大，与小平面的周长成比例。圆形反射小平面72的长度与半径成比例地增大。期望在光学阵列区域上保持均匀的亮度。
[0389]
在光学元件38的区域上提取的亮度由元件38上任何概念区中的入射发光强度和所述区域中的提取小平面72的面积确定。对于以相等宽度和相等间距布置的小平面72，总小平面72面积由小平面72周长确定并且随着与子阵列33的距离成比例地增大。对于每个概念区中的固定发光强度，输出亮度将朝元件的边缘下降，并产生不均匀性。期望通过从元件38的中心到边缘增大提取光的发光强度来保持元件38的区域上的均匀亮度。为了继续说明性实例，图26示出了发光强度朝向边缘的期望增加。
[0390]
在本发明的实施例中，如图25所示，通过将来自子阵列33的光导引到外部区来实现在元件38的外部概念区处一定程度地增大发光强度。
[0391]
此外，在图30a的实施例中，每个光学元件38的反射光提取小平面72布置有随着与元件的光轴11的距离而减小的间距。因此，每单位面积的小平面72的数量在高半径下增加，并且这种小平面72密度增大会增加光提取，其补偿增大的小平面72周长。
[0392]
对于从边缘反射器61反射的光线，示出了另外的光线312。有利地，非常低的边框宽度可以通过自由形式形状来实现。
[0393]
现在将描述实现亮度的均匀空间均匀性的其他布置。
[0394]
图30b是以正视图示出反射表面64的反射光提取小平面72的布置的示意图，所述反射表面具有正方形范围90和光学元件38的正方形封装。正方形范围90可以提供与图30a的六边形范围不同的斑点可见性。可以假设未进一步详细讨论的图30b的布置的特征对应
于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0395]
反射光提取小平面72的长度79随着与相应光学元件38的光轴11的距离而增大。反射光提取小平面72的总面积随着与相应光学元件38的光轴11的距离而增大。有利地，可以提高均匀性。
[0396]
与图30a的布置相比，小平面72、72、74在至少一个横截面平面中的间隔可以是相似的。提供了额外的平面区77，其减少了每个小平面72、74的总长度，其长度取决于小平面功能和与光轴11的距离而变化。因此，小平面72、74可以包括小平面段79，所述小平面段的长度随着与子阵列33的距离而增大。例如布置在透射led支撑基板50的表面52、54上的输出漫射体可以布置成在小平面段之间的间隙中提供均匀的输出。因此，在光学元件38的平面中，反射光提取小平面72的长度随着与相应光学元件38的光轴11的距离而增大。通常，小平面72将在光学元件的平面中具有一定面积，使得反射光提取小平面72的总面积随着与相应光学元件38的光轴11的距离而增大。此外，反射光提取小平面72的总面积同与相应光学元件38的光轴11的距离成比例。可以提供对发光强度的非线性变化的补偿。
[0397]
现在将描述一维准直光学元件38。
[0398]
图31是以透视侧视图示出具有图2所示类型的反射表面结构的一维光学元件38阵列以及对准的微型led阵列的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图31的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0399]
在每个光学元件在单个横截面平面中具有关于光轴的镜像对称性的情况下，光学元件可以具有垂直于所述横截面平面的相同配置。在这种情况下，光学元件可以布置成一维阵列。
[0400]
与图16a的布置相比，光学元件38在y方向上延伸。这种布置提供了对x-z平面中的锥角和y-z平面中的基本朗伯输出的控制。
[0401]
在显示器中使用时，可以观察到光学输出，其中绕x轴旋转的亮度基本相同，并且绕y轴旋转的亮度降低。有利地，对于各种显示定向的正面用户，可以实现舒适观看自由度。此外，还可以方便地实现这种部件的制造。
[0402]
现在将描述反射表面64的其他布置。
[0403]
图32a是以侧视图示出光学元件38阵列的反射表面结构的示意图；图32b是以侧视图示出包括图32a的结构的光学元件38阵列的示意图；并且图32c是以透视侧视图示出具有图31d-e所示类型的反射表面结构的二维光学元件38阵列以及对准的微型led阵列的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图32a-c的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0404]
例如，与图1-2的布置相比，小平面72可以具有不同的倾斜角，并且外部区73可以是线性的。这种结构可以用降低成本和复杂性的方式加工。
[0405]
现在将描述反射光输入结构68和折射光输出结构56的其他布置。
[0406]
图33是以俯视图示出光学元件38的输入区和对准的子阵列33穿过光轴11的至少一个横截面平面的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图33的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0407]
现在将描述布置在透射输出表面52上的折射光输出结构56的操作。在图33的实施例中，折射光输出结构56包括凹折射表面55，所述凹折射表面被布置成提供负光功率。来自
反射小平面74的光线308由凹表面55重新定向，以减小光线与光轴11的角度，从而改善在原本被掩模7遮蔽的区中的输出的准直。可以假设未进一步详细讨论的图33的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0408]
图33进一步示出了反射光输入结构68可以包括线性内表面69a、69b。有利地，表面69a、69b的加工方式可以比例如图2的弯曲内表面更方便。
[0409]
期望提供一种鲁棒性增强并且对热变化的灵敏度降低的照明设备100。
[0410]
图34a是以俯视图示出来自微型led和包括附接到基板的led支撑基板的光学元件38的光线的示意图。透射材料59设置在透射led支撑基板50的第一表面54与透射输入表面62之间。可以假设未进一步详细讨论的图34a的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0411]
一种用于在预定区域上提供照明的照明设备100，所述照明设备100包括：透射支撑基板50；被透射支撑基板50支撑在所述透射支撑基板的后侧上并且跨预定区域排列的发光二极管3a、3b的子阵列33的阵列，每个子阵列33的发光二极管3a、3b形成在半导体材料的相应单片层400上并且被布置成向后输出光；跨预定区域、在发光二极管3a、3b后方排列的光学元件38的阵列，每个光学元件38与发光二极管3a、3b的相应子阵列33对准，并且每个光学元件38包括具有透射表面62和反射表面64的后层，所述反射表面布置在透射表面62后方以接收来自发光二极管3a、3b的相应子阵列33的穿过透射表面62的光；以及透射材料59，其布置在透射支撑基板50与光学元件38的透射表面64之间，其中后层62、透射材料和透射支撑基板50具有匹配的折射率，并且每个光学元件38的反射表面64包括：反射光输入结构68，其被布置成在其中由所述反射光输入结构反射的光通过透射支撑基板52的前表面处的全内反射在由后层64、透射材料和透射支撑基板50形成的波导1内被导引的方向上反射从发光二极管3a、3b的相应子阵列接收的光；以及反射光提取小平面72，其被布置成在其中由所述反射光提取小平面反射的光从波导1输出穿过透射表面52的方向上反射在波导1内导引的光300。
[0412]
来自多个发光二极管3a、3b的光线在透射led支撑基板50的反射表面64与第二表面52之间的光学阵列内被导引。有利地，这种照明设备100可以增强对热变化和机械变形的鲁棒性。基板50可以具有用于制造子阵列33的阵列的期望化学、热和机械属性，而波导1层可以具有用于制造光学元件38反射表面64的合适属性。
[0413]
图34b是以俯视图示出来自led 3a、3b的子阵列33和光学元件38的光线的示意图，其中透射支撑基板50的后侧54接合到光学元件38的前侧62。可以假设未进一步详细讨论的图34b的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0414]
led支撑基板50布置在子阵列33与反射表面64之间。与图34a相比，子阵列33被布置成通过接合到波导1的透射led支撑基板50进行照明。有利地，可以减小装置厚度，同时实现导引光线300以提高空间均匀性。基板50可以具有用于制造子阵列33的阵列的期望化学、热和机械属性，而波导1层可以具有用于制造光学元件38反射表面64的合适属性。
[0415]
期望提供柔性照明设备100。
[0416]
图35a是以俯视图示出光学元件38和多个子阵列33的示意图，其中波导1不包括集成体。可以假设未进一步详细讨论的图35a的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效
附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0417]
子阵列33a布置有第一光学元件38a，并且子阵列33b布置有第二光学元件38b。每个光学元件38a、38b通过间隙97与邻近元件38b分开，所述间隙被布置成在基板弯曲期间提供一些机械变形区。反射涂层65被布置成在每个元件38的外表面上延伸，所述外表面包含每个光学元件38的反射侧36。在操作中，在光学阵列内被导引的光从侧36反射。有利地，可以增加光学元件的变形以使光学阵列能够在至少一个维度上确认为弯曲形状。
[0418]
此外，在图35a的实施例中，光学阵列示出为包括形成在透射led支撑基板50上的波导1。有利地，可以增强对准的鲁棒性。
[0419]
图35b是以俯视图示出用于弯曲空间光调制器48的弯曲照明设备100的示意图，所述空间光调制器例如包括柔性基板的lcd。可以假设未进一步详细讨论的图35b的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0420]
从曲面显示器输出的光线300、302与本文其它地方所示的相比可以具有增大的锥角，使得对于处于固定观看位置的观察者来说，曲面显示器上的显示亮度滚降减小。可以通过漫射体360和在基板50中和其上的漫射元件增加漫射。
[0421]
可能期望降低反射表面64的复杂性。
[0422]
图36a是以侧面透视图示出包括照明设备100的显示设备的示意图，所述照明设备包括被布置成照射空间光调制器48的子阵列33和光学元件38，其中光学元件38的反射表面64不包括被布置成利用光学元件38提供导引的区71；图36b是以侧视图示出图36a的光学元件38的示意图，并且发光二极管3a、3b被布置成与相应对准光学元件38的光轴11对准；并且图36c是以侧面透视图示出二维光学元件和子阵列33的对准阵列的示意图。可以假设未进一步详细讨论的图36a-c的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0423]
与图2的布置相比，反射表面64具有更简单的非小平面形状，从而可以有利地降低光散射和加工复杂性以及成本。此外，孔径宽度715可以被布置成匹配在透射输入表面62处入射的光的亮度输出剖面，其在输入折射表面平面的情况下由临界角θc定义。如图16b所示，反射孔径边缘处的发光强度滚降是峰值发光强度的70％，并且理想地，可以实现相对空间均匀的输出，这可以借助于照明设备100中的漫射来进一步校正，所述设备包含附接到lcd的漫射体，如本文别处所示。
[0424]
图36d是以侧面透视图示出一维光学元件和子阵列33的对准阵列的示意图。与图36c的布置相比，可以实现一维亮度滚降，从而有利地提高关于x轴的显示旋转的均匀性和观看自由度。此外，可以进一步降低加工的复杂性。
[0425]
图36e是以侧视图示出类似于图36b的光学元件38的示意图，其中反射表面64由菲涅耳反射器提供。有利地，减小了厚度。
[0426]
将期望提供大尺寸显示器，使发光二极管3a、3b与光学元件38的光轴精确且均匀地对准，以实现均匀的输出空间和定向发光强度定向分布。现在将描述制造本发明的实施例的照明设备的说明性方法。
[0427]
在第一步骤中，可以提供单片半导体晶片2，如图37a所示，此图是以侧面透视图示出单片led晶片2的示意图。例如，单片晶片2可以包括多个掺杂的gan层并且可以形成在基板4上，所述基板可以是例如蓝宝石、碳化硅或硅。
[0428]
在第二步骤中，可以从单片晶片2提取子阵列33a、33b的非单片阵列，如图37b所示，此图是以侧面透视图示出从单片led晶片2提取子阵列33的稀疏阵列以在至少第一方向上向led 3a、3b提供间距s1的示意图。
[0429]
在第三步骤中，可以将子阵列33a、33b的非单片阵列转移到透射led支撑基板50上，如图38所示，此图是以侧面透视图示出将子阵列33a、33b的稀疏阵列从图37a的单片led晶片2放置到包括电极8和掩模区7的led支撑基板50上的示意图。掩模区7具有相同的间距s1。
[0430]
可以假设未进一步详细讨论的图37a-b和图38的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0431]
子阵列33a、33b可以在基板52上布置成与电极8对准。led支撑基板50可能已经配备有驱动电路517，其包括例如tft和/或集成电路(未示出)。
[0432]
因此，多个led 33a、33b中的led来自布置成阵列的单片晶片2，所述led相对于彼此的原始单片晶片位置和定向保持不变；并且其中在至少一个方向上，对于在所述至少一个方向上的多个子阵列33中的至少一对，对于每对相应的子阵列，在单片晶片2中有至少一个相应的子阵列33，其在至少一个方向上在单片晶片2中定位在所述一对子阵列33之间，而在子阵列33的阵列中不定位在所述子阵列之间。
[0433]
在第四步骤中，包含寻址电极、波长转换层和光学粘合层的其它层(未示出)可以设置在子阵列33和透射led支撑基板50的后表面54上。
[0434]
在第五步骤中，可以提供如图39所示的照明设备，此图是以侧面透视图示出照明设备100的组装的示意图，所述照明设备包括具有光轴11间距s5的波导1和透射led支撑基板50。可以假设未进一步详细讨论的图39的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0435]
基板50可以按间距s5与多个光学元件38对准以提供照明设备，使得间距s5可以与间距s1相同。可以使用例如光学透明粘合剂之类的光学粘合在两个基板50、60之间提供连接，以有利地增强例如图2所示的区80中的对准的鲁棒性。有利地，可以使用少量提取步骤在大区域上形成大量元件，同时保持与光学元件的相应阵列对准。子阵列33与反射折射光学元件的对准在第wo/2010/038025号wipo国际公开案中进一步描述，其以全文引用的方式并入本文中。
[0436]
此外，对于本公开，微型led是未封装led管芯芯片，而不是已封装led。有利地，不使用到led的单独引线接合，并且拾取和放置过程的数量显著减少。
[0437]
可能期望提供可切换防窥显示器。
[0438]
图40是以侧面透视图示出高效率和高动态范围防窥显示器的示意图，所述防窥显示器包括被布置成照射空间光调制器48的照明设备100、反射偏振器302和极性控制延迟器布置300。可以假设未进一步详细讨论的图40的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。的布置的特征对应于如上文所讨论的具有等效附图标记的特征，包含所述特征的任何潜在变化。
[0439]
可切换液晶延迟器堆叠300与照明设备100和空间光调制器48串联布置。堆叠300包括可切换液晶延迟器301，其包括基板312、316，所述基板具有透射电极和对准层以实现液晶层314的可控对准。堆叠300进一步包括额外的偏振器332和补偿延迟器330。在第10,
126,575号美国专利、第10,303,030号美国专利和第2020-0159055号美国专利公开案中描述了各种实施例，所有这些专利以全文引用的方式并入本文中。
[0440]
可切换液晶延迟器堆叠300和空间光调制器48被布置成接收由光转向元件5透射的光。漫射体334可以布置成实现对输出锥角的修改并且进一步最小化莫尔(moir
é
)和斑点伪影。
[0441]
控制系统可以进一步包括可切换液晶延迟器堆叠300控制器312和液晶单元驱动器315以控制液晶延迟器301两端的电压。控制器312被布置成寻址电压驱动器350，使得可切换液晶延迟器301在显示器以广角模式操作时在第一对准状态下被驱动，并且当显示器以窄角防窥模式操作时在第二对准状态下被驱动。
[0442]
偏振控制延迟器300的说明性实施例在表2中给出。
[0443][0444]
表2
[0445]
图41a是图1的布置的亮度的极性输出分布的示意图，其中来自发光二极管3a的照明用于防窥操作模式；图41b是图40的延迟器堆叠布置的透射的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管3a；并且图41c是图40的延迟器堆叠布置的反射率的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管3a。
[0446]
图42a是图1与两个30度fwhm输出漫射体串联的布置的亮度的极性输出分布的示意图，其中来自发光二极管3a、3b的照明用于公共操作模式；图42b是图40的延迟器堆叠布置的透射的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管3a和3b；并且图42c是图40的延迟器堆叠布置的反射率的极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且照明来自发光二极管3a和3b。与图41b和41c所示的极性输出分布相比，图42b和42c所示的极性输出分布是均匀的。
[0447]
图43a是图40的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的说明性极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且在公共操作模式下勒克斯/尼特比为1.0；并且图43b是图40的延迟器堆叠布置的视觉安全等级的说明性极性输出分布的示意图，其中说明性延迟器堆叠布置在表2并且在防窥操作模式下勒克斯/尼特比为1.0。区360表示典型的正面用户从500mm观看的14英寸对角线16:9纵横比显示器所看到的极角。图像的所有区具有小于1.2的vsl，从而有利地在用于显示器用户的整个显示区域实现高图像可见性。
[0448]
图43a进一步示出显示器在公共操作模式下在宽极性区上具有高图像可见性，而图43b示出在宽极性区上针对窥探者的高视觉安全等级(vsl》4)。
[0449]
有利地，提供了一种对显示器用户具有高图像可见性并且对窥探者具有高视觉安全等级的可切换防窥显示器。
[0450]
此外，与入射到多个延迟器上的照明剖面是固定的布置相比，公共模式在公共模式下对于离轴用户具有更高的可见性和/或在防窥模式下对于离轴窥探者具有更高的视觉安全等级。
[0451]
本发明的实施例的子阵列33以降低的成本、复杂性和提高的均匀性实现可切换防窥显示器的增强性能。
[0452]
如在此可以使用的，术语“基本上”和“大约”为其对应的术语和/或项目之间的相关性提供了工业上可接受的容差。此类工业上可接受的容差范围从百分之零到百分之十，并且对应于但不限于分量值、角度等。项目之间的此类相关性的范围在大约百分之零到百分之十之间。
[0453]
尽管上面已经描述了根据在此公开的原理的各种实施例，但是应当理解，这些实施例仅作为实例而非限制来呈现。因此，本公开的广度和范围不应受任何上述示范性实施例的限制，而是应仅根据从本公开发出的任何权利要求及其等同物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但是不应当将此类发布的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任何一个或全部的过程和结构。
[0454]
另外，本文中提供的章节标题是为了与37cfr 1.77下的建议一致，或提供组织线索。这些标题不应当限制或表征本公开可能发布的任何权利要求中阐述的实施例。具体地并且通过实例的方式，虽然标题指的是“技术领域”，但是权利要求不应被在所述标题下选择来描述所谓的领域的语言限制。此外，“背景技术”中的技术描述不应被解释为承认某些技术是本公开中的任何实施例的现有技术。“发明内容”也不被认为是所发布的权利要求中阐述的实施例的特性。此外，在本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应当被用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可以根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个实施例，并且此类权利要求相应地限定了受其保护的实施例及其等同物。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开根据其自身的优点来考虑，但不应受本文所述的标题的限制。