CN110945401A - 照明设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可切换定向照明设备，包括第一(3)和第二(103)LED阵列，该LED中的一些是微型LED；已对准反射折射微型光学器件(38)阵列和已对准光导(107)阵列。在第一模式中，由第一微型LED阵列和反射折射微型光学器件提供窄角输出。在第二模式中，由第二LED阵列和光导提供更宽的角输出。薄且有效的照明设备可以用于在环境照明、显示器背光照明或直接显示器中切换照明。

Description

照明设备

技术领域

本公开涉及一种设备，其包括与多个光学元件对准的多个可寻址发光元件。这种设备可用于可切换的环境照明、用于可切换的室内或室外电子显示屏、或用于可切换的对于LCD显示器的背光源。

背景技术

具有宽定向光输出分布的显示器通常用于实现从许多不同视角的舒适显示器观看。对于多个用户共享图像内容，以及对于观看位置相对于显示器中心线基本上不固定的显示器而言，此类显示器是期望的。

通过比较，具有窄定向光输出分布的显示器通常用于在减小的视角内为用户的眼睛提供图像数据。此类显示器通常用于实现：隐私显示(抑制窥探者可看到的图像)，夜间显示(抑制环境照明—例如以减小来自挡风玻璃的反射或减小不与人亲近的杂散光)，低功率观看(不向远离用户眼睛的区域供应照明)，以及户外观看(将高亮度提供给窄观看位置范围，而背光源功率没有增加或有很小的增加)。

在已知方法中，可以通过添加微百叶窗膜来实现窄定向光输出分布。此类膜可以永久性地固定在显示器上，诸如用于ATM自动取款机以进行隐私查看或汽车显示器以进行夜间操作。可替代地，此类膜可以由用户手动地放置在常规宽定向光输出分布显示器的表面上以供私人显示使用，并且被移除并存储以恢复正常的广角观看。微百叶窗膜效率低下，因为它们通过在不需要的显示角度方向上吸收来自背光源的光来工作。作为构造的副作用，微百叶窗薄膜还显著衰减了所需方向上的光。

诸如LCD(液晶显示器)的透射型空间光调制器的视角由背光源的输出光分布和所使用的LCD面板的角透射特性来控制。通常，背光源包括光导(LGP)，该光导从布置在LGP的输入边缘处的诸如LED(发光二极管)的光源接收光。当光传播通过LGP时，LGP输出面上的结构化图案会在其面上提供限定的光泄漏。

其他已知的背光源在LCD后面的矩阵中合并发光二极管(LED)阵列。来自LED的光被强烈散射以创建高度均匀的背光照明。来自背光源的光的定向光输出分布或定向光输出分布可以通过在背光源组件内添加固定层(诸如棱镜膜和漫射器)来更改。在制造时，通过设计来固定背光源以及因此固定显示角度光的定向光输出分布。

用于环境照明的照明系统(诸如汽车前灯、建筑、商业或家庭照明)可以提供窄定向光输出分布，例如通过聚焦光学器件以提供聚光效果，或者可以例如通过漫射光学器件实现宽定向光输出分布以实现广域照明效果。

使用半导体生长而在单片晶圆上形成的无机LED表现出高水平的发光效率(lm/W)和高发光度(lm/mm²)。光源尺寸由LED管芯的面积确定，并因此原则上可以由直至单片晶圆尺寸的任意尺寸制成。与光转换层协作，LED可以提供可接受的CIE显色指数(CRI)或彩色空间覆盖率。

可以在任意大的衬底上形成有机发光二极管(OLED)；然而，发光度可能比无机LED所实现的发光率低1000倍以上。

在本说明书中，LED是指直接从单片晶圆(即半导体元件)中提取的未封装LED管芯芯片。这与封装LED不同，这些封装LED已经被附接到引线框架以便提供电极，并且可以被组装到塑料封装中以便于后续组装。

封装LED通常尺寸大于1mm，并且更通常地尺寸大于3mm，并且可以通过常规的印刷电路板组装技术(包括拾取和放置方法)进行组装。此类组装机所放置的部件的准确度可通常加或减30微米。此类尺寸和公差防止了应用于非常高分辨率的显示器。

微型LED可以通过阵列提取方法形成，其中多个LED并行地从单片晶圆中移出并且可以被布置有小于5微米的位置公差。

白光LED光源可以由独立光谱带(诸如红色、绿色、蓝色和黄色)组成，每个光谱带都是由独立LED元件创建的。此类光源使用户能够分辨出不同的颜色，并且由于灯中光源的分离，因此可以产生彩色的照明斑点。所期望的是光源被均质化以使其分离小于视觉分辨率极限。

用于户外的LED显示器通常由嵌入黑色塑料树脂中的LED芯片构成，以便抑制背景光反射并由此增加显示器的整体对比度和观看质量。黑色树脂材料吸收大量的发射光，这减小效率并增加显示器的总功率消耗。

发明内容

定向LED元件可以使用反射光学器件(包括全内部反射光学器件)或更典型的反射折射光学类型反射器，例如US6547423中所述。反射折射元件同时使用折射和反射，其可以是全内反射或来自金属化表面的反射。

期望提供一种可切换定向显示器，该可切换定向显示器包括反射折射光学元件阵列和LED阵列，其可被控制以在薄封装中以高效率和高分辨率提供至少两种不同的定向光输出分布。

根据本公开的第一方面，提供了一种照明设备，包括：第一多个LED，该第一多个LED布置在第一LED阵列中，其中第一多个LED中的LED是微型LED；第二多个LED，该第二多个LED被布置在第二LED阵列中；第一光学系统，该第一光学系统与第一多个LED中的LED对准以提供第一定向光输出分布，第一定向光输出分布是从第一多个LED中的LED输出的光；其中第一光学系统包括布置在第一光学元件阵列中的第一多个光学元件，第一多个光学元件中的每个光学元件与第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准，第一多个LED中的每个LED仅与第一光学系统的光学元件中的相应一个光学元件对准；以及第二光学系统，该第二光学系统与第二多个LED中的LED对准以提供第二定向光输出分布，第二定向光输出分布是从第二多个LED中的LED输出的光；其中第一定向光输出分布的立体角小于第二定向光输出分布的立体角；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个LED来驱动第一多个LED。

有利地，可以提供可以在不同定向光输出分布之间切换以实现可控定向环境照明的薄且有效的定向照明设备，以及用于减少功率消耗、增加显示亮度和隐私操作的可切换定向显示器。

第二多个LED中的至少一些LED可以位于第一多个LED中的相邻LED之间。第二多个LED中的至少一些LED可以位于第一光学元件阵列的相邻光学元件之间。有利地，可以提供紧凑且基本均匀的照明系统。

第二多个LED中的至少一些LED是微型LED。有利地，第二多个LED中的LED可以使用与用于形成第一多个LED的相同方法来形成，从而降低了成本和复杂性。另外，可以在薄封装中实现高亮度操作。

第一多个光学元件中的至少一些光学元件可以是反射折射光学元件。有利地，来自第一多个LED中的微型LED的光可以通过反射折射光学元件的折射和反射而被引导到小立体角中。

反射折射光学元件可在通过其光轴的至少一个反射折射横截面中包括第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一外表面和第二外表面可包括弯曲表面；其中第一外表面和第二外表面可从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射元件的第一端。反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；并且至少一个透明内表面可布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间。透明内表面可包括至少一个弯曲表面。有利地，通过反射折射光学元件可以有效地收集在大立体角上提供的光并且将其引导到较小立体角中。

第一多个LED中的LED可以是宽度或直径小于300微米、优选小于200微米、更优选小于100微米的微型LED。在至少一个反射折射横截面平面中，反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于3mm，优选小于1.5mm，并更优选小于0.75mm。有利地，可以提供薄照明设备，其通过微型LED输入来实现小立体角输出。

在至少一个反射折射横截面平面中，第一端与第一端处的第一外表面和第二外表面之间的外角可以小于第一端与第二端处的第一外表面和第二外表面之间的外角。在至少一个反射折射横截面平面中，至少一个透明内表面可具有正光功率。在至少一个反射折射横截面平面中，至少一个透明内表面可具有零光功率。第一多个LED中的LED的一些光输出可以由至少一个透明内表面透射，之后它在第一外表面或第二外表面处反射并被引导到第一定向光输出分布中；并且第一多个LED中的LED的一些光输出可由至少一个透明内表面透射，并且被引导到第一定向光输出分布中，而在第一外表面或第二外表面处没有反射。有利地，反射折射光学元件可以将来自宽范围的输入角的光引导到反射折射光学元件的整个输出端上的共同小立体角中。

可以在第一多个LED中的LED与至少一个透明内表面之间提供折射光学元件。折射光学元件可以是半球形透镜。有利地，可能以提高的效率从第一多个LED中的LED提取光。

第一多个LED可以包括无机LED。第二多个LED可以包括无机LED。第一和第二多个LED中的至少一个还可包括波长转换层。波长转换层可以包括磷光体或量子点材料。对于第一和第二光输出分布可以有利地实现高亮度操作。

第一和第二多个LED可以各自被布置为向第一光学元件和第二光学元件提供基本相同的白点光。有利地，可以减少显示器颜色随观看方向以及从广角操作模式切换到窄角操作模式的变化。

第二多个LED中的LED的总光输出面积可大于第一多个LED的LED的总光输出面积。有利地，显示器在广角定向光输出分布中的亮度可以类似于在窄角定向光输出分布中的亮度。

第一多个LED中的LED可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个LED的至少一对，对于每个相应对，在单片晶圆中至少有一个相应的LED，其沿至少一个方向定位在该对LED之间的单片晶圆中并且不在LED阵列中定位在它们之间。有利地，照明设备可以通过并行提取多个LED以高效的方式形成，并且以与多个反射折射光学元件相对应的方式有效地对准。大面积的精确对准的照明设备可以在照明设备的整个区域上的均匀定向光输出分布来实现。另外，可以并行地转移大量微型LED，从而实现了微型LED尺寸的减小、光学元件厚度的减小以及照明设备的分辨率的提高。

第二光学系统可包括一个或多个光导。一个或多个光导可分别与第二多个LED中的一个或多个LED相对应地对准。有利地，第二多个LED中的LED的定向光输出分布可以被有效地引导通过第一光学系统。

第二多个LED中的每个LED可仅与光导中的相应一个光导对准。有利地，来自第二多个LED中的每一个的光可以被提供到照明设备的限定区域，从而实现减少的串扰。

至少一个光导可以在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中包括第一光导外表面和面向第一光导外表面的第二光导外表面；其中第一光导外表面和第二光导外表面从光导的第一端延伸到光导的第二端，光导的第二端面向光导的第一端以及在光导的第一端处的透明光导输入表面。透明输入表面可以是线性的，并且光导的第一和第二外表面可以是线性的。多个光导中的光导的第一端可散布在多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的第一端中。有利地，光可以通过光导从第二多个LED中的LED引导通过照明设备的厚度并且具有低损耗。另外，可以方便地制造光导。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可在垂直于反射折射横截面平面的方向上延伸。有利地，可以提供定向光输出分布的立体角的一维变化。这种分布可以在一个维度上提供可控照明，同时在正交方向上实现宽亮度分布。在显示器应用中，一维定向光输出分布可为显示器绕水平轴的旋转提供舒适的观看，并为绕水平轴的旋转提供减小的立体角。当提供窄定向光输出分布时，这种布置可以为居中定位的观察者实现舒适的显示使用。

多个光导中的至少一些光导可以在垂直于反射折射横截面平面的方向上延伸。光导可以平行于反射折射光学元件布置。可以将光导和反射折射光学元件设置为跨照明设备的高度或宽度的连续元件。有利地，可以减少分散，并且更方便地形成元件，从而降低成本和复杂性。

第一和第二光导外表面可以是透明的。有利地，可以不施加金属涂层，从而降低成本和复杂性。可以消除金属化表面上的进一步反射率损失，从而可以提高光导效率。

在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，在光导的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离与在光导的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离相同；其中第二定向光输出分布的立体角与第二多个LED中的LED的定向光输出分布的立体角基本相同。有利地，可以提供基本朗伯定向光输出分布，从而在第二多个LED中的LED被照明时实现显示器的广角观看。

在光导的第一端处的第一和第二外表面之间的距离小于在光导的第二端处的第一和第二外表面之间的距离；其中第二定向光输出分布的立体角小于第二多个LED中的LED的定向光输出分布的立体角。有利地，可以增加在广角操作模式下的显示器的正面亮度。另外，光导可以更方便地制造，因为它们可以在模制期间更方便地从模制工具释放。

多个光导中的光导的第二端可散布在多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的第二端中。有利地，可以改善输出的亮度均匀性。

多个光导中的至少一些光导可在与反射折射光学元件的延伸方向正交的方向上延伸。有利地，可以增加在与反射折射光学元件的延伸方向正交的方向上的LED的空间分辨率。实现了反射折射光学元件之间的间隙的可见性的进一步减小。

多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的第二端可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上，并且多个光导中的至少一个的第二端可布置在光学元件支撑衬底的相同侧上。有利地，可以在单个模制步骤中提供包括反射折射光学元件和光导的支撑衬底，从而降低了成本和复杂性。可以在单个对准步骤中实现反射折射光学元件与第一和第二多个LED中的LED之间的进一步对准。

第一光导外表面可以成形为与相应的相邻反射折射光学元件的第一外表面的形状基本相同；并且第二光导外表面可以成形为与相应的相邻反射折射光学元件的第二外表面的形状基本相同；其中第一光导外表面和第二光导外表面之间的距离在光导的第一端处最大。第一光导外表面可与相邻反射折射光学元件的第一外表面对准并具有间隙；并且第二光导外表面可与相邻反射折射光学元件的第二外表面对准并具有间隙。第二定向光输出分布的至少一部分可由来自第二多个LED中的LED的输出光提供，该输出光透射通过第一光导外表面并由反射折射光学元件的外表面透射。第二定向光输出分布的至少一部分可由来自第二多个LED中的LED的输出光提供，该输出光在第二光导外表面处通过全内反射来反射。

有利地，可以提供照明设备以实现在窄和宽定向光输出分布之间的切换。反射折射光学元件的间距可以减小，使得可以提高分辨率。另外，可以减少发光元件之间的串扰。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括对于第一多个LED的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括透明聚合物材料。多个光导中的光导可以包括透明聚合物材料。有利地，光导可以由模制的光学元件提供，并且不需要进一步的金属化，从而降低了制造的成本和复杂性。

多个光导中的光导还可包括光散射材料。有利地，可以减小第二多个LED中的LED的面积，从而减小成本和复杂性。

多个光导中的光导还可以包括波长转换材料，该波长转换材料可以包括磷光体或量子点材料。有利地，可以减小波长转换材料处的光通量密度，从而减小操作温度并增加波长转换材料的寿命，并实现更稳定的操作色输出。

第一和第二多个LED中的LED可布置在公共衬底上。有利地，可以降低制造成本和复杂性。

控制电路可在每个行和列电极交叉点处包括数据值存储装置以用于提供至少两个数据值，其中至少两个数据值中的一个被供应给第一多个LED中的至少一个LED，并且至少两个数据值中的另一个数据值被供应给第二多个LED中的至少一个LED。控制电路可在每个行和列电极交叉点处包括电极，电极连接到第一多个LED中的LED并且连接到第二多个LED中的LED；并且还可包括连接到相应的第一和第二多个LED的第一控制电极和第二控制电极；其中控制电极连接到多个电极交叉点。有利地，减少了为实现对第一多个和第二多个LED的控制而提供的连接的数量，从而降低了成本和复杂性。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于显示设备的背光源，该显示设备包括第一方面的照明设备。

根据本公开的第三方面，提供了一种显示设备，其包括空间光调制器和第二方面的背光源设备。

有利地，可切换背光源可以被布置有诸如LCD的空间光调制器以实现在广角操作和窄角操作之间的切换，这可以实现节能、隐私操作、减少的杂散光和有效的高亮度操作。

控制系统可包括背光源控制器，该背光源控制器被布置为驱动背光源设备的第一区域中的第一和第二多个LED中的至少一个，其光输出高于在背光源设备的第二区域中的光输出。背光源控制系统可以被布置为与由显示器控制器提供给透射空间光调制器的图像数据相对应地驱动第一和第二多个LED中的至少一个的区域。控制电路还可以包括用图像像素数据驱动第一和第二多个LED的装置。

有利地，高动态范围(HDR)显示器可以被设置有可寻址背光源区域。另外，可以为广角和窄角定向光输出分布提供HDR性能。显示区域的另一部分可以被设置有第一定向光输出分布，并且显示区域的不同部分可以被设置有不同的定向光输出分布。

根据本公开的第四方面，提供了一种直接显示设备，其包括第一方面的可切换照明设备，并且其中控制电路还包括用图像像素数据驱动第一和第二多个LED的装置。

与背光式空间光调制器相比，可以减小厚度并提高效率。在广角操作和窄角操作之间切换可以有利地实现功率节省、隐私操作、减少的杂散光和有效的高亮度操作。

第一多个LED中的LED可以是宽度或直径小于100微米、优选小于50微米、更优选小于25微米的微型LED。直接显示器可以包括像素微型LED，其中第一多个LED中的LED是宽度或直径小于100微米、优选小于50微米、更优选小于25微米的微型LED。

第一多个LED中的LED可以被布置为向第一多个图像像素提供第一定向光输出分布；其中第二多个LED中的LED被布置为向第一多个图像像素提供第二定向光输出分布。有利地，可以独立于视角看到共同的图像，以便为移动的观看者提供均匀的显示外观。

在至少一个反射折射横截面平面中，反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于0.5mm，优选小于0.25mm，并更优选小于0.1mm。有利地，可以提供高显示分辨率。

第二多个LED可以包括有机LED。有利地，可以在第一多个LED的微型LED之间的区域中提供均匀的照明。

第一和第二多个LED中的每个可以被布置为向第一光学系统和第二光学系统提供多于一个光谱带的光。有利地，可以提供彩色显示器。

根据本公开的第五方面，提供了一种照明设备，包括：第一多个LED，该第一多个LED布置在第一LED阵列中，其中第一多个LED中的LED是微型LED；第二多个LED，该第二多个LED被布置在第二LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件，其中多个反射折射光学元件中的每个在通过其光轴的至少一个横截面平面中包括：第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一外表面和第二外表面从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射元件的第一端；其中反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；以及至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间；其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件与第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准，第一多个LED中的每个LED仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准，多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件与包括第一多个LED中的相应一个或多个LED的第一多个LED中的其相应一个或多个LED之间的对应对准定位在反射折射光学元件的第一端处并与反射折射光学元件对准，或者定位在反射折射光学元件的第一端与反射折射光学元件的至少一个透明内表面之间并与反射折射光学元件对准；并且第二多个LED中的至少一些LED布置在除了定位在多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的第一端部处并与任何反射折射光学元件对准之外的位置中，并且在除了定位在第一端和多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的至少一个透明内表面之间并与任何反射折射光学元件对准之外的位置中；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个LED来驱动第一多个LED。

第二多个LED中的至少一些LED可以是微型LED。第二多个LED中的至少一些LED可以位于第一多个LED中的相邻LED之间。第二多个LED中的至少一些LED可位于反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件之间。第二多个LED中的至少一些LED可位于反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件的相应第一端之间。照明还可以包括一个或多个光导。

一个或多个光导可分别与第二多个LED中的一个或多个LED相对应地对准。一个或多个光导中的至少一些可以被定位在反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件的相应第二端之间。第一多个LED中的LED可以是宽度或直径小于300微米、优选小于200微米、更优选小于100微米的微型LED。反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于6mm。微型LED的从一侧到另一侧的横截面可以在反射折射光学元件的第一端内对准。

第一多个LED中的至少一些LED可定位在第一LED平面上，并且第二多个LED中的至少一些LED可定位在与第一LED平面不同的第二LED平面上。有利地，第二多个LED中的LED的定向光输出分布可以不由反射折射光学元件的阵列引导，以实现第二多个LED的提高的图像分辨率和效率。

与第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准的多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件可提供第一定向光输出分布，第一定向光输出分布是从第一多个LED中的LED输出的光；第二多个LED中的LED可提供第二定向光输出分布，第二定向光输出分布是从第二多个LED中的LED输出的光；其中第一定向光输出分布的立体角小于第二定向光输出分布的立体角。有利地，可以提供可切换定向光输出照明设备。

多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的第二端可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。有利地，光学元件支撑衬底可以提供多个光学元件中的反射折射光学元件的准确和可靠的放置。

光学元件支撑衬底的第一侧可布置在反射折射光学元件和第二多个LED中的LED之间。第二多个LED中的LED可布置在光学元件支撑衬底的与第一侧相对的第二侧上。有利地，第二多个LED中的LED可以布置在可方便地与反射折射光学元件对准的衬底上。

第二多个LED中的LED可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。有利地，第二多个LED中的LED可以通过支撑衬底保护免受外部环境的影响。

根据本公开的第六方面，可提供了一种用于显示设备的背光源，该显示设备包括第五方面的照明设备。

根据本公开的第七方面，可提供了一种显示设备，其包括空间光调制器和第六方面的背光源设备。

根据本公开的第八方面，可提供了一种直接显示设备，其包括第五方面的可切换照明设备；其中控制电路还包括用图像像素数据驱动第一和第二多个LED作为至少一个可寻址矩阵的装置。第一多个LED中的LED可以被布置为向第一多个图像像素提供第一定向光输出分布；并且第二多个LED中的LED可以被布置为向第一多个图像像素提供第二定向光输出分布。反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于0.5mm，优选小于0.25mm，并更优选小于0.1mm。直接显示器可以包括像素微型LED，其中第一多个LED中的LED是宽度或直径小于100微米、优选小于50微米、更优选小于25微米的微型LED。

有利地，可向可切换定向显示设备提供高分辨率、薄尺寸、高效率、受保护的LED以及在广角模式下的宽视角。在窄角模式下，显示器可以提供非常高的效率、隐私操作、省电、户外操作和低杂散光操作。

根据另一方面，一种照明设备可以包括：第一多个LED，该第一多个LED布置在第一LED阵列中，其中第一多个LED中的LED是微型LED；第二多个LED，该第二多个LED被布置在第二LED阵列中；第一光学系统，该第一光学系统与第一多个LED中的LED对准以提供第一定向光输出分布，第一定向光输出分布是从第一多个LED中的LED输出的光；其中第一光学系统包括布置在第一光学元件阵列中的第一多个光学元件，第一多个光学元件中的每个光学元件与第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准；以及第二光学系统，该第二光学系统与第二多个LED中的LED对准以提供第二定向光输出分布，第二定向光输出分布是从第二多个LED中的LED输出的光；其中第一定向光输出分布的立体角小于第二定向光输出分布的立体角；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个LED来驱动第一多个LED。

根据本公开的另一方面，当形成光学元件时，提供光学元件在光学元件阵列中的相对空间位置。第一多个光学元件可以是光学元件的单片阵列。至少第一多个光学元件中的光学元件和光学元件支撑衬底可以形成一体主体。集成主体的形成可以包括以保持光学元件的相对空间位置的方式将至少光学元件附接到衬底。集成主体的形成可以包括在衬底上至少形成光学元件。

根据本公开的另一方面或实施方案，提供了一种可切换照明设备，包括第一多个微型LED，该第一多个微型LED布置在第一微型LED阵列中；第二多个微型LED，该第二多个微型LED布置在第二微型LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件；其中每个反射折射光学元件包括输入端和输出端；其中输入端在至少第一方向上的宽度小于输出端在至少第一方向上的宽度；其中第一多个微型LED中的每个微型LED布置在输入端处；其中来自第一多个微型LED中的微型LED的光被多个反射折射光学元件中的对应反射折射光学元件引导到来自输出端的第一定向光输出分布中，该第一定向光输出分布在第一方向上的宽度比在输入端沿所述第一方向的定向光输出分布的宽度更窄；并且第二多个微型LED中的至少一些微型LED被布置在除了输入端以外的位置；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个微型LED来控制第一多个微型LED以便发光。

有利地，可以提供薄的定向照明设备，其可以将定向照明实现成小锥角并且可以被切换以实现具有大锥角的定向照明。这种设备可以用于控制环境照明、显示器背光源和直接显示应用的输出的定向性，包括用于高照度可切换照明、隐私显示操作、具有高亮度的降低功率和减少的杂散光。

根据本公开的另一方面或实施方案，提供了一种可切换照明设备，包括：第一多个微型LED，其中该第一多个微型LED是布置在为第一微型LED阵列中的第一LED阵列中的微型LED；第二多个LED，该第二多个LED被布置在第二LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件；其中每个反射折射光学元件在至少一个横截面平面中包括：第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一和第二外表面从第一端延伸到面向第一端的第二端；其中在第一端处的外表面的分离小于在第二端处的外表面的分离；其中第二端处的外表面的分离小于6mm；至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及外表面之间，其中第一多个LED中的每个微型LED布置在第一端处或第一端与透明内表面之间；其中来自第一多个LED中的微型LED的光被多个反射折射光学元件中的对应反射折射光学元件引导到来自输出端的第一定向光输出分布中，该第一定向光输出分布在第一方向上的宽度比在输入端沿所述第一方向的定向光输出分布的宽度更窄；并且第二多个LED中的至少一些LED被布置在除了输入端以外的位置；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个LED来控制第一多个微型LED以便发光。第二LED阵列的多个LED中的至少一些LED可以是布置在第二微型LED阵列中的微型LED。

有利地，在广角操作模式下，可以提高整个反射折射光学元件的输出区域的输出均匀性。可以提高照明器和显示器的均匀性，从而改善美学质量并减少摩尔纹和mura伪像。

根据本公开的另一方面或实施方案，提供了一种可切换照明设备，包括第一多个微型LED，该第一多个微型LED布置在第一微型LED阵列中；第二多个微型LED，该第二多个微型LED布置在第二微型LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件；其中每个反射折射光学元件包括输入端和输出端；其中输入端在至少第一方向上的宽度小于输出端在至少第一方向上的宽度；其中输入端至少在第一方向上被中间区域分离；其中第二多个微型LED中的至少一些微型LED布置在中间区域中；并且多个光导微型光学元件布置在中间区域；其中每个光导微型光学器件与第二多个微型LED中的至少一个微型LED对准；其中来自第一多个微型LED中的微型LED的光被多个反射折射光学元件中的对应反射折射光学元件引导到来自输出端的第一定向光输出分布中，该第一定向光输出分布在第一方向上的宽度比在输入端沿所述第一方向的定向光输出分布的宽度更窄；其中来自第二多个微型LED中的至少一些微型LED的光被多个光导微型光学器件中的对应光导微型光学器件引导到第二定向光输出分布中，该第二定向光输出分布在第一方向上的宽度比第一定向光输出分布在所述第一方向上的宽度更宽；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个微型LED来控制第一多个微型LED以便发光。

第一和第二微型LED阵列可以设置在单个衬底上，从而降低了成本和复杂性。可以保留第二微型LED阵列的输出照明轮廓以实现广角操作。

根据本公开的另一方面或实施方案，提供了一种可切换照明设备，包括：多个初级LED；其中多个初级LED是微型LED并布置在初级LED阵列中；多个次级LED，其中多个次级LED布置在次级LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件；其中每个反射折射光学元件包括输入端和输出端；其中每个反射折射光学元件的输入端在至少第一方向上的宽度小于反射折射光学元件的输出端在至少第一方向上的宽度；其中初级LED阵列的每个初级LED布置在反射折射光学元件阵列的对应反射折射光学元件的输入端处；其中来自初级LED阵列的初级LED的光被反射折射光学元件阵列的对应反射折射光学元件引导到来自反射折射光学元件的输出端的定向光输出分布，该定向光输出分布在第一方向上的宽度比在输入端处沿所述第一方向上的定向光输出分布的宽度更窄；并且第二LED阵列的多个次级LED中的至少一些次级LED布置在除了输入端以外的位置处；照明设备还包括控制电路和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于多个次级LED来控制多个初级LED以便发光。

有利地，在广角操作模式下，可以提高整个反射折射光学元件的输出区域的输出均匀性。可以提高照明器和显示器的均匀性，从而改善美学质量并减少摩尔纹和mura伪像。微型LED可以是来自单片衬底的无机微型LED。

有利地，可以从小光源提供非常高的显示亮度。此类小光源可以与反射折射光学元件协作实现窄照明角度。

第二LED阵列的次级LED可以是微型LED。次级LED可以是有机LED(OLED)。初级微型LED可以是OLED。有利地，在直接显示应用中可以提供均匀的广角照明轮廓。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可以在与第一方向正交的第二方向上延伸。

有利地，可以在单个方向上提供可切换定向光输出分布。可以提供扩展的纵横比环境的可切换环境照明。例如，可以保持用于绕水平轴旋转的显示亮度，同时可以保持隐私性或高亮度，或者可以提供降低功率的操作以用于例如绕垂直轴线的显示器旋转。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可以在第一方向上延伸，并且可以散布在第二方向上延伸的反射折射光学微型光学器件中。

根据本公开的另一个方面或实施方案，提供了一种可切换显示设备，其包括上述方面或实施方案的可切换照明设备，其中控制电路还包括用图像像素数据驱动第一和第二多个微型LED的装置；其中第一多个微型LED中的微型LED被布置为向第一多个图像像素提供第一定向光输出分布；其中第二多个微型LED中的微型LED被布置为向第一多个图像像素提供定向光输出分布，该定向光输出分布比第一定向光输出分布更宽。

控制系统可以被布置为向第一和第二多个微型LED提供图像数据。

根据本公开的另一个方面或实施方案，提供了一种可切换背光设备，其包括上述方面或实施方案的可切换照明设备。可切换背光源可以用于包括透射空间光调制器的显示设备。

控制系统可以被布置为提供与透射空间光调制器上的图像数据相对应的背光源的第一和第二区域的照明亮度和定向光输出分布。

第一定向光输出分布可以被布置成提供来自第一区域的第一放大光学器件的照明和来自第二区域的第二放大光学器件的照明。

根据本公开的另一个方面或实施方案，提供了多个光导微型光学器件布置在中间区域中，每个光导微型光学器件包括输入端，其中每个光导微型光学器件与第二多个微型LED中的至少一个微型LED对准；其中来自第二多个微型LED中的至少一些微型LED的光被多个光导微型光学器件中的对应光导微型光学器件引导到第二定向光输出分布中，该第二定向光输出分布在第一方向上的宽度比第一定向光输出分布在所述第一方向上的宽度更宽。光导微型光学器件的输入端可以散布在反射折射光学元件的输入端中。光导微型光学器件可以至少在第一方向上延伸。多个反射折射光学元件和多个光导微型光学器件可以在与第一方向正交的第二方向上延伸。

相应的第一多个和第二多个微型LED可各自包括多于一个的光谱带的发光器。第一和第二多个微型LED的白点可以相同。

第二多个微型LED中的微型LED的总面积可以大于第一多个微型LED中的微型LED的总面积。光导微型光学器件包括光散射材料。光散射材料可以包括波长转换材料。

多个光导微型光学器件中的至少一些可包括光导微型光学器件输入端和面对光导微型光学器件输入端的光导微型光学器件输出端。光导微型光学器件的输出端可以散布在反射折射光学元件的输出端中。

在第一方向上，光导微型光学器件输入端的宽度与光导微型光学器件输出端的宽度相同；其中来自第二多个微型LED中的微型LED的光被多个光导微型光学器件中的对应光导微型光学器件导引到来自光导微型光学器件输出端的定向光输出分布中，该定向光输出分布在第一方向上的宽度与光导微型光学器件输入端处沿所述第一方向的定向光输入分布的宽度相同。

在第一方向和与第一方向正交的第二方向中的至少一个方向上，光导微型光学输入端的宽度与光导微型光学输出端的宽度相同；其中来自第二多个微型LED中的微型LED的光被多个光导微型光学器件中的对应光导微型光学器件导引到来自光导微型光学器件输出端的定向光输出分布中，该定向光输出分布比光导微型光学器件输入端处的来自第二多个微型LED的微型LED的定向光输出分布更窄。

多个反射折射光学元件可以在与第一方向正交的第二方向上延伸，并且多个光导微型光学期间可以在第一方向上延伸。

多个光导微型光学器件中的至少一些可包括具有输入端和成形侧面的矫正微型光学器件；其中成形侧面的形状可以与反射折射光学元件的外侧的形状基本相同。校正微型光学器件和反射折射光学元件的侧面可以彼此隔开一定的间隙对准；其中间隙在反射折射光学元件的输入端和输出端之间的至少一些区域中可以基本平行。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的输出端可以布置在微型光学器件支撑衬底的第一侧上。微型光学器件支撑衬底的第一侧可以布置在反射折射光学元件与第二多个微型LED之间。

第二多个微型LED可以形成在微型光学器件支撑衬底的与第一侧相对的第二侧上。第二多个微型LED可以形成在微型光学器件支撑衬底的第一侧上。

反射折射光学元件在至少一个横截面平面中可包括：第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一和第二外表面从第一端延伸到面向第一端的第二端；其中在第一端处的外表面的分离小于在第二端处的外表面的分离；其中第二端处的外表面的分离小于6mm；至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及外表面之间。第一外表面和第二外表面可以是弯曲的。在第一端处的外表面的斜率小于在第二端处的外表面的斜率。

透明内表面中的至少一个可以是弯曲的。透明内表面中的至少一个可以具有正光功率，并且透明内表面中的至少一个可以是基本线性的。

微型LED可以布置在第一端处或第一端与透明内表面之间。来自微型LED的光可以在入射到第一外表面或第二外表面上之前入射在至少一个透明内表面上。可以对准微型LED，使得来自微型LED的光在内部透明表面处折射并在外表面处反射。外表面上的反射可以是全内反射。来自微型LED的光可以通过(i)在至少一个弯曲的内表面处的折射和(ii)通过在至少一个内表面的表面的折射以及一个外表面的反射而被引导到基本上相同的定向光输出分布中。可以在微型LED和至少一个透明内表面之间提供折射微型光学器件。

这种设备可以用于家庭或专业照明以及用于显示。

本领域的普通技术人员在阅读本公开的全文后，本公开的这些和其他特征以及优点将变得显而易见。

附图说明

在附图中以举例方式示出了实施方案，其中相似的附图标记表示类似的部分。

图1A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器的反射折射光学元件的二维阵列和光导的阵列；

图1B是以顶视图示出根据本公开的图1A的微型LED、反射折射光学元件和光导的布置的示意图；

图1C是以顶视图示出根据本公开的微型LED、反射折射光学元件和光导的布置的示意图，其中反射折射元件被布置有六边形填充；

图1D是以顶视图示出根据本公开的LED和已对准光导的布置的示意图，该布置还包括寻址和控制装置；

图1E是以顶视图示出根据本公开的微型LED和已对准反射折射光学元件的布置的示意图，该布置还包括寻址和控制装置；

图1F是以顶视图示出根据本公开的微型LED、已对准反射折射光学元件和已对准光导的布置的示意图；

图1G是以侧视图示出根据本公开的微型LED、已对准反射折射光学元件和已对准光导的布置的示意图；

图2A是以顶视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布；

图2B是以侧视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供宽定向光输出分布；

图2C是以透视图示出根据本公开的光源的示意图，该光源具有用于输入到光学系统中的光锥的第一区域和第一立体角；

图2D是以透视图示出根据本公开的在来自图2C的光源的光已经被光学系统引导之后的输出光的区域和立体角的示意图；

图2E是以透视图示出根据本公开的微型LED的区域和立体角以及反射折射光学元件的输出区域和立体角的示意图；

图2F是以侧视图示出根据本发明的反射折射光学元件在至少一个横截面平面中的输入宽度和输出宽度的示意图；

图2G是以侧视图示出根据本发明的被布置成提供离轴照明的反射折射光学元件的示意图；

图3A-C是以侧视图示出根据本公开的反射折射光学元件的形状的另外示例的示意图；

图4A是透视图示出根据本公开的提供背景辉光和中心点光束的折射光学元件所进行的照明的透视图；

图4B是以透视图示出根据本公开的提供外部光晕和中心点光束的反射光学元件所进行的照明的示意图；

图4C是以透视图示出根据本公开的提供中心点光束的反射折射光学元件所进行的照明的示意图；

图4D-E是以透视图和侧视图示出根据本公开的具有平行侧面的光导的照明的示意图；

图4F-G是以透视图和侧视图示出根据本公开的具有锥形侧面的光导的照明的示意图；

图5A是以透视前视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布；

图5B是以透视前视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供宽定向光输出分布；

图5C是以透视前视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为在显示器的区域上是相同的；

图5D是以透视前视图示出根据本公开的图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为指向窗平面中的公共窗位置；

图5E是示出根据本公开的来自图1A的可切换定向显示器的定向光输出分布的示意图；

图5F是示出根据本公开的包括图1A的反射折射光学元件和微型LED的定向显示器的亮度相对于输出角度的曲线图的示意图；

图6A是以侧视图示出根据本公开的定向显示器的操作的示意图，其中宽定向光输出分布的锥角小于图2B的光导所提供的定向光输出分布；

图6B是以透视前视图示出根据本公开的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置成提供可在宽模式和窄模式之间切换的定向光输出分布；

图6C是以侧视图示出根据本公开的包括不同形状的光导和反射折射光学元件的定向照明设备的示意图；

图7A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器的沿相同方向延伸的反射折射光学元件的阵列和光导的阵列；

图7B是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，该背光源具有被布置成照亮空间光调制器的反射折射光学元件的阵列和光导的阵列；

图8是以透视前视图示出根据本公开的来自图7A-B的显示器的定向光输出分布的示意图；

图9A是以透视侧视图示出根据本公开的与垂直延伸的反射折射光学元件对准的发光元件的示意图；

图9B是以顶视图示出根据本公开的LED阵列的示意图；

图10是以透视前视图示出根据本公开的用于可切换定向显示器的LED阵列和空间光调制器的漫射器元件的示意图；

图11是以侧视图示出根据本公开的用于可切换定向显示器的漫射器元件的操作的示意图；

图12是以透视前视图示出根据本公开的可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器具有带不同定向光输出分布的可寻址区域；

图13是以透视前视图示出根据本公开的包括背光源的可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器具有带不同定向光输出分布的可寻址区域；

图14是以透视前视图示出根据本公开的可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器被布置为在定向操作模式下提供高动态范围操作；

图15是以透视前视图示出根据本公开的可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器被布置为在窄和宽定向操作模式下提供高动态范围操作；

图16是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括反射折射光学元件的二维阵列和光导的阵列；

图17是以顶视图示出根据本公开的图16的LED、反射折射光学元件和光导的布置的示意图；

图18A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括被布置成提供第一和第二窄定向光输出分布和第三宽分布的反射折射光学元件的第一和第二阵列以及光导阵列；

图18B是以顶视图示出根据本公开的图18A的LED阵列和已对准反射折射元件的示意图；

图19A至图19E是示出根据本公开的用于多个LED的寻址系统的示意图；

图20是以侧视图示出根据本公开的可切换定向显示器的示意图；

图21是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向直接显示设备的示意图，该可切换定向直接显示设备包括反射折射光学元件的一维阵列和光导的一维阵列；

图22是以顶视图示出根据本公开的图21的LED、反射折射光学元件和光导的布置的示意图；

图23是以侧视图示出根据本公开的图21的可切换定向显示器在宽和窄定向光输出分布中的操作的示意图；

图24是以前视图示出根据本公开的图21的可切换定向显示器对于宽和窄定向光输出分布的操作的示意图；

图25是以前视图示出根据本公开的包括二维反射折射光学元件阵列的自由形式的可切换定向显示器的示意图；

图26是以前视图示出根据本公开的包括一维反射折射光学元件阵列的自由形式的可切换定向显示器的示意图；

图27是以前视图示出根据本公开的包括二维反射折射光学元件阵列的可穿戴的自由形式的可切换定向显示器的示意图；

图28是以前视图示出根据本公开的包括二维反射折射光学元件阵列的柔性的自由形式的可切换定向显示器的示意图；

图29是以透视图示出根据本公开的可切换环境照明设备的示意图；

图30是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器的反射折射光学元件的一维阵列和光导的阵列；

图31-32是以顶视图示出根据本公开的用于图30的可切换定向显示器的LED阵列的示意图；

图33A是以顶视图示出根据本公开的可切换背光源设备的示意图；

图33B是示出根据本公开的来自可切换定向显示器的定向光输出分布的示意图；

图34是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器的反射折射光学元件的二维阵列和光导的二维阵列；

图35A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括反射折射光学元件的一维阵列和光导的一维阵列；

图35B是以顶视图示出根据本公开的图35A的可切换定向显示器的操作的示意图；

图35C是以顶视图示出根据本公开的与校正光学元件相对应的背板上的像素LED的布置的示意图，其中像素LED由至少一种无机半导体材料形成；

图35D是以顶视图示出根据本公开的与校正光学元件相对应的背板上的像素LED的布置的示意图，其中像素LED由至少一种有机半导体材料形成并且是OLED；

图35E-F是以顶视图示出根据本公开的与校正光学元件相对应的背板上的像素LED的布置的示意图，其中像素LED由至少一种无机半导体材料和至少一种有机半导体材料形成；

图36A是以侧视图示出根据本公开的光耦接到中间发光元件的光导中的光线传播的示意图；

图36B是以侧视图示出根据本公开的被设置有空气间隙的光导中的到中间发光元件的光线传播的示意图；

图36C是以侧视图示出根据本公开的来自与反射折射光学元件对准的LED的光线传播的示意图；

图37是以侧视图示出根据本公开的光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向在包括光导的显示器中的法向方向上；

图38是以侧视图示出根据本公开的光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与包括光导的显示器中的法向方向成20度；

图39是以侧视图示出根据本公开的光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与包括光导的显示器中的法向方向成40度；

图40是以侧视图示出根据本公开的光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与不包括光导的显示器中的法向方向成20度；

图41A-D是以侧视图示出根据本公开的形成光导阵列的方法的示意图；

图42是以侧视图示出根据本公开的替代光导的示意性，该替代光导还包括整体散射材料；

图43是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，包括被布置为通过第一和第二窄定向光输出分布来照明空间光调制器的反射折射光学元件的第一阵列和第二阵列；

图44是以顶视图示出根据本公开的图43的LED阵列和已对准反射折射元件的示意图；

图45是以透视前视图示出根据本公开的图43的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供处于横向定向的可切换定向光输出分布；

图46是以透视前视图示出根据本公开的图43的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供处于纵向定向的可切换定向光输出分布；

图47是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括被布置成提供第一和第二窄定向光输出分布的反射折射光学元件的第一阵列和第二阵列以及光导阵列；

图48是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在第一衬底上的反射折射光学元件的二维阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上被布置为照明透射型LCD的已对准LED的第二阵列；

图49是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在第一衬底上的反射折射光学元件的一维阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上被布置为照明透射型LCD的已对准LED的第二阵列；

图50A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的二维阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列；

图50B是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的一维阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列；

图51A是以侧面透视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的稀疏阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列；

图51B是以顶视图示出根据本公开的可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的稀疏阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列；

图52A是以侧视图示出根据本发明的来自图50B的第一LED阵列和已对准反射折射元件的光传播的示意图；

图52B是以侧视图示出根据本公开的来自布置在第二衬底和第一衬底之间的第二LED阵列的光传播的示意图；

图52C是以侧视图示出根据本公开的从发光元件的中心通过反射折射光学元件的光线的光线轨迹的示意图；

图52D是以侧视图示出根据本公开的来自诸如LED的发光元件的定向光输出分布的示意图；

图53是以侧视图示出根据本公开的透明衬底47的顶侧上的LED的布置的示意图；

图54是以侧视图示出根据本公开的来自布置在第二衬底上的第二LED阵列的光传播的示意图，其中第二衬底在第二LED阵列与第一衬底之间；

图55A-H是以侧视图示出根据本公开的形成包括LED的阵列和反射折射光学元件的阵列的照明设备的方法的示意图；

图56A-D是以透视图示出根据本公开的形成包括LED的阵列和反射折射光学元件的阵列的照明设备的方法的示意图；

图57A-B是以侧视图示出根据本公开的照明设备的减薄的示意图；

图58是以透视图示出根据本公开的照明设备的分割的示意图；

图59是以侧视图示出根据本公开的现有技术的LED装置的示意图；

图60是以侧视图示出根据本公开的安装有磷光体层和半球形结构的LED装置的示意图；

图61是以侧视图示出根据本公开的反射折射光学元件的示意图；并且

图62是以侧视图示出根据本公开的定向LED装置的示意图。

具体实施方式

期望提供一种用于显示器、显示器背光源、或用于家庭或专业环境照明的可切换照明设备。环境照明可以包括房间、办公室、建筑物、场景、街道、设备、或其他照明环境的照明。

显示器背光源是指被布置为照明诸如液晶显示器的透射空间光调制器的照明设备。显示器背光源的微型LED可以被提供像素信息，例如在高动态范围操作中，如将在本文中描述的。然而，一般来讲，像素数据是由空间光调制器提供的。

直接显示器是指一种照明设备，其中微型LED被布置为提供像素图像信息，并且在照明设备和观察者之间没有布置空间光调制器。

图1A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光照明设备110，其具有被布置成照亮空间光调制器112的反射折射光学元件38的二维阵列和多个光导100。空间光调制器112可以包括液晶显示器，该液晶显示器具有多个像素303、输入偏振器300、TFT衬底302、像素层304、滤色器衬底306和输出偏振器308。另一输入光学层310可以包括反射偏振器以实现未透射通过偏振器300的偏振光的再循环，从而有利地提高系统效率。

第一和第二多个LED 3、103布置在公共衬底52上。背光照明设备110可以包括第一衬底52，在其上形成有发光二极管(LED)3的第一阵列和发光二极管(LED 103)的第二阵列。

因此，照明设备110可以包括：第一多个LED 3，该第一多个LED 3布置在第一LED阵列中，其中第一多个LED中的LED是微型LED；以及第二多个LED 103，该第二多个LED 103布置在第二LED阵列中。第二多个LED中的至少一些LED 103位于反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件38之间。

因此，用于显示设备的背光源包括背光照明设备110，而显示设备包括背光照明设备110和空间光调制器112。

在背光照明设备110中，LED 3、103可以是例如蓝色微型LED(诸如氮化镓半导体元件)，并且还可以被设置有诸如磷光体或量子点材料的颜色转换材料以提供白色输出。

包括透明光学元件支撑衬底47的第二衬底可在其上形成与LED的第一阵列3对准的多个反射折射光学元件38。多个光导100可以散布在反射折射光学元件30的阵列中，并与第二个LED阵列103对准。

背光照明设备110可以被布置为照明空间光调制器112以提供可切换定向照明，如将在本文中描述的。

在本公开中，多个微型LED、或多个LED、或多个反射折射光学元件、或多个光导、或多个折射光学元件可各自被布置为一个或多个阵列。此类阵列可以包括部件的有序系列或布置，或者在一些实施方案中，可能期望提供多个部件的空间位置的某种随机化，例如以减少莫尔图案化伪影。因此，本公开涉及光学部件的多个和阵列。

在本实施方案中，对于给定的功率消耗，提高的效率可以实现提高的亮度，由于给定输出亮度所需的微型LED 3和/或反射折射光学元件38的面积较小，因此可以实现功率消耗的减小和/或可以实现部件成本的减小。

图1B是以顶视图示出图1A的微型LED 3、反射折射光学元件38和光导100的布置的示意图，其中反射折射元件38布置有正方形填充。反射折射光学元件38的表面46可以是旋转对称的，或者可以由一系列平面表面形成，或者可以在如下所述的方向上延伸。

光导100布置在反射折射光学元件38之间。因此，当操作微型LED 3的阵列时，光输出通过反射折射光学元件阵列，并且当操作微型LED 103的阵列时，光输出被引导通过光导100。如图所示，光导100的阵列可以在区域中互连或者可以分开。

有利的是，可以通过确定微型LED 3、103的阵列中的哪个被照明以及达到哪个光通量来控制背光源的光学输出。

图1C是以顶视图示出微型LED 3、103、反射折射光学元件38和光导100的布置的示意图，其中反射折射元件38布置有六边形填充。

与图1B的布置相比，微型LED 3、103阵列和光学元件38、100的阵列的填充可以有利地减少空间光调制器112的像素303与背光照明设备110之间的莫尔跳动。另外，与方形输出形状相比，反射折射光学元件38的光学表面可提供更加旋转对称的角度输出特性。

现在将描述微型LED 3、103的阵列的控制。在本文其他地方描述的一些实施方案中，LED 103的最大尺寸可以大于本文描述的微型LED。然而，可以应用相同或类似的控制和驱动布置。

图1D是以顶视图示出微型LED 103和已对准光导100的布置的示意图，该布置还包括寻址和控制装置。图1E是以顶视图示出LED和已对准反射折射光学元件38的布置的示意图，该布置还包括寻址和控制装置。

因此，照明设备110还包括控制电路106和电极170、171，其被布置使得它们可操作以独立于第二多个LED 103来驱动第一多个微型LED 3。

对于LED 103的第二阵列，背光源控制器106可将控制信号提供给列驱动器174和行驱动器175。可以提供列电极170和行电极171来驱动LED 103的阵列，其可以与例如TFT相关联。

对于微型LED 3的第一阵列，背光源控制器106可以将控制信号提供给列驱动器176和行驱动器177，其可以分别是相同的驱动器174、175。可以提供列电极172和行电极173来驱动微型LED 3的阵列，其可以与例如TFT相关联。

如下所述，可以有利地提供照明的可寻址区域。微型LED 3、103的第一阵列和第二阵列可以替代地布置成组以减小寻址方案的成本和复杂性。

图1F-1G是以顶视图和侧视图示出微型LED 3、103、已对准反射折射光学元件38、和已对准光导100的布置的示意图。第二多个LED中的每个LED 103仅与光导100中的相应一个对准。

第二多个LED中的LED 103的总光输出面积可以大于第一多个LED的微型LED 3的总光输出面积。在图1C的示意性示例中，与微型LED 3相比，每单位面积可以提供更多的LED103。如将在下面参考图2B所描述的，与第一多个LED中的微型LED 3相比，第二多个LED的LED 103输出到定向光输出分布122的更宽立体角183。为了针对第一和第二定向光输出分布120、122实现类似的显示亮度，第二定向光输出分布中提供的总光通量可能更高。有利地，可以随着视角维持显示亮度。

另外，与本文其他各处所述的线性光导相比，发光元件可以布置在圆柱形光导100中。有利地，广角模式下的填充密度可以类似于窄角模式下的填充密度，从而在背光源、直接显示器或其他照明应用中实现类似的亮度均匀性。

现在将描述可切换定向背光照明设备110的操作。

图2A是以顶视图示出图1A的可切换定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布120。

因此，第一光学系统与第一多个LED中的LED 3对准以提供第一定向光输出分布120，第一定向光输出分布是从第一多个LED中的LED 3输出的光。

第一光学系统包括布置在第一光学元件阵列中的第一多个光学元件38，第一多个光学元件中的每个光学元件38分别与第一多个LED中的相应一个或多个LED 3对应地对准，第一多个LED中的每个LED 3仅与第一光学系统的光学元件38中的相应一个对准。第一多个光学元件中的至少一些光学元件可以是反射折射光学元件38。

通过在观看窗口120内朝观察者125照明微型LED 3来提供光线121。观看窗口120可以由圆锥内并且从微型LED 3的整个范围成像的光线形成。窗口120中的观察者看到来自反射折射光学元件的输出的照明，并且因此空间光调制器的像素303是背光照明的。窗口120外部的观看者127看不到照明的显示屏，提供了定向显示操作。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38可以布置在光学元件支撑衬底47的第一侧上，并且多个光导100中的至少一个的第二端109布置在光学元件支撑衬底47的第一侧上。多个反射折射光学元件38通常可以包括模制的透明聚合物材料。另外，多个光导中的光导包括透明聚合物材料，该透明聚合物材料可以是构成反射折射光学元件38的相同材料。

LCD的外表面上还提供了其他漫射器元件311、309。可替代地或附加地，可以在透明衬底47上设置漫射器元件311和/或反射偏振器310。可以在背光源110和空间光调制器112之间的间隙中合并另外的漫射器层。

漫射器层可有利地提供图像摩尔的减少、增加的显示均匀性和图像mura的减少。源自日本的“mura”一词在显示器行业中经常使用，它在这里是指缺陷区域、其他大体均匀的显示器或背光源的区域或斑块，其中可见或可检测到不规则或不均匀。

另外的漫射器可以实现立体角181的扩展以便实现更宽的视角，并通过增加头箱尺寸来增加显示器观看的舒适度。例如，漫射器可以进一步结合到反射折射光学元件38和光导100的表面上。此类漫射器可实现增加的锥角并减少定向光输出分布120的光束形状的半影的锐度。例如，与用于环境照明设备的尖锐半影相比，对于显示设备而言可能期望平滑的滚降。

有利地，本实施方案的反射折射光学元件可以实现小立体角181，并且可以使用漫射器来调谐输出以获得分布120的期望轮廓。

期望布置可切换照明以提供常规的广角操作模式。

图2B是以侧视图示出图1A的定向显示器110、112的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供宽定向光输出分布。

第二光学系统与第二多个LED中的LED 103对准以提供第二定向光输出分布122，第二定向光输出分布是从第二多个LED中的LED 103输出的光。第二多个LED中的至少一些LED 103位于第一多个LED中的相邻LED 3之间。

第二光学系统包括一个或多个光导100。一个或多个光导100分别与第二多个LED中的一个或多个LED 103相对应地对准。多个光导中的光导100的第一端107散布在多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38的第一端707中。

第一定向光输出分布120的立体角181小于第二定向光输出分布122的立体角183。

多个光导100中的光导100的第二端109散布在多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38的第二端708中。

可以通过控制器106控制LED 103以便被照明，并且从光导100的输出提供光线186。可以将光导布置为保留输入LED 103的定向特性。在一个实施方案中，朗伯发射LED可以与光导100对准，其中光导的侧面101、102基本平行。元件100的输入侧107可以是基本平面的，使得LED 103的输出耦接到圆锥中，该圆锥体的角度大小与光导100的介质的临界角相同。在光导的输出处，光返回到空气中，因此将向观看窗口122提供基本上朗伯输出。

因此，第一和第二多个LED 3、103可以各自被布置为向第一和第二光学元件提供基本相同的白点光。显示器输出的颜色将随视角和输出定向光输出分布120、122的变化而保留，使得显示器不会随视角而变色。

有利地，在窗口120外部但在窗口122中的观看者127将看到空间光调制器112的像素303的照明。

LED 103(可以是微型LED)的面积填充率可以大于微型LED 3的面积填充率以便获得均匀的广角亮度，其亮度与针对来自微型LED 3的光实现的亮度类似。可替代地，控制系统可以被布置为用比微型LED 3更高的电流来驱动LED 103，以在窄角和广角定向光输出分布中实现显示亮度之间的匹配。有利地，可以通过控制第一和第二多个LED中的LED 3、103中的相对电流来提供显示亮度和滚降特性。

图2C是以透视图示出具有用于输入到未指定光学系统(未示出)的光锥702的第一区域Ain和第一立体角Ωin的光源700的示意图；并且图2D是以透视图示出在来自图2C的光源的光线已经被光学系统引导之后，用于输出光的区域Aout的输出表面704和立体角为Ωout的圆锥703的示意图。保持亮度或光学扩展量(étendue)意味着

Aout*Ωout<＝Ain*Ωin 等式1

图2E是以透视图示出反射折射光学元件38的示意图，该反射折射光学元件在第一端707处具有微型LED 3，其具有锥形706中的输入区域Ain和输入立体角Ωin反射折射光学元件38的第二端708具有区域Aout，并且透射光锥710具有立体角Ωout。等式1教导了Aout因此大于Ain，并因此在至少一个维上，反射折射光学元件的输出宽度大于输入宽度以提供圆锥立体角Ωout的减小。因此，与微型LED 3的区域相比，通过增加第二端708的输出区域Aout可以实现锥710的较小立体角。反射折射光学元件可以扩展；然后微型LED 3的宽度可能小于第二端708的宽度。

图2E还示出旋转对称的反射折射光学元件38的光轴711。在本实施方案中，光轴711是沿着其存在旋转对称的线，并且是穿过反射折射光学元件38的折射表面42和外反射表面46的曲率中心的线。

在反射折射光学元件38比布置为同轴运行的实施方案中，输出亮度可以设置为在垂直于输出表面的方向上提供，例如垂直于透明支撑衬底47。在此类实施方案中，光轴711可以是折射表面42和外反射表面46a、46b的反射对称轴。

现在将进一步描述反射折射光学元件38的布置和操作。

图2F是以侧视图示出反射折射光学元件38的在通过其光轴177的至少一个横截面平面中的输入宽度712和输出宽度714的示意图。因此，横截面平面是x-z平面并且光轴711在横截面平面中。

多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38在通过其光轴711的至少一个横截面中包括第一外表面46a和面向第一外表面46a的第二外表面46b。第一外表面46a和第二外表面46b从反射折射光学元件38的第一端707延伸到反射折射光学元件38的第二端708，反射折射光学元件708的第二端708面向反射折射元件的第一端707。

反射折射光学元件的第一端处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离712小于反射折射光学元件38的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714。至少一个透明内表面42、44布置在第一端707和第二端708之间以及第一外表面46a和第二外表面46b之间。

端部708可以由反射折射光学元件38的输出表面提供，或者可以例如布置在模制光学部件的层中，例如在图2A的透明支撑衬底47上。

多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38与第一多个LED中的相应一个或多个LED 3相对应地对准，第一多个LED中的每个LED仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38与包括第一多个LED中的相应一个或多个LED 3的第一多个LED的其相应一个或多个LED 3之间的对应对准定位在反射折射光学元件38的第一端707处并且与反射折射光学元件38对准。

LED 3可以定位在反射折射光学元件38的第一端707与反射折射光学元件38的至少一个透明内表面42、44之间，并且与反射折射光学元件对准。例如，在横截面平面中，微型LED 3的中心可以与反射折射光学元件的光轴711对准。在本公开中，术语在反射折射光学元件的“第一端处”包括：例如，微型LED少量地在第一端707下方、在与反射折射光学元件38的端部707相同的平面中、或在端部707的附近、或在端部707的近侧或邻近端部。在每种情况下，这可以包括与反射折射光学元件的光轴对准。以上描述可以应用于所有实施方案。

第二多个LED中的至少一些LED 103可以布置在除了定位在多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的第一端707处并与该任何反射折射光学元件对准之外的位置中，并且在除了定位在第一端和多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的至少一个透明内表面之间并与该任何反射折射光学元件对准之外的位置中；

反射折射光学系统同时使用光的反射和折射。另外，反射折射光学系统是在光学系统中通常经由透镜(折光)和曲面镜(反射折射镜)将折射和反射结合在一起的系统。反射折射光学元件有时称为RXI光学元件。RXI光学元件通过折射(R)、来自金属的反射(R)和全内反射(I)来产生光线偏转。

第一外表面46a和第二外表面46b各自包括弯曲表面，这些弯曲表面从反射折射光学元件38的第一端707延伸到反射折射光学元件38的第二端708，反射折射光学元件的第二端708面向反射折射光学元件的第一端707。另外，透明内表面42、44包括至少一个弯曲表面42。第一端707与第一端707处的第一外表面46a之间的外角715可小于第一端707与第二端708处的第一外表面46a之间的外角717。另外，在第一端707上和第一端707处的第二外表面46b之间的外角小于在第一端707和第二端708处的第二外表面46b之间的外角。

有利地，准直光可以被设置有窄锥角的定向光输出分布。

反射折射光学元件38可以被布置为从微型LED 3提供基本准直的输出光，以用于入射到弯曲外表面46a、46b以及可具有正光焦度的至少一个透明内表面44上的光。另外，至少一个透明内表面44可以具有零光焦度。有利地，可以在制造的工具使用和模制步骤期间方便地提供表面44。另外，此类表面可以协作以在高输出立体角上为来自微型LED 3的所有光线提供准直光，如下面将参考图4C相比于图4A和4B进行描述。

因此，由第一多个LED中的LED 3的光线718示出的一些光输出通过至少一个透明内表面44透射，之后它在第一外表面46a或第二外表面46b处反射并被引导到第一定向光输出分布120中；并且第一多个LED中的LED 3的光线716所示的一些光输出通过至少一个透明内表面42透射，并且被引导到第一定向光输出分布120中，而在第一外表面46a或第二外表面46b处没有反射。

图2F还示出了可以在第一多个LED的微型LED 3和至少一个透明内表面42、44之间提供折射光学元件706。折射光学元件706可以是半球透镜，其被布置为从通常用于无机微型LED 3的高折射率材料获得增加的光输出耦合效率。半球透镜706增加包括LED和半球透镜706的光源9的有效区域Ain，使得与微型LED 3单独提供相比，来自微型LED 3的光分布在更大的锥角上。

有利地，可以提供更高效率的输出耦合。

返回到图2A的描述，一个或多个光导100中的至少一些可以因此定位在反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件38的相应第二端707之间。

在至少一个横截面平面中，本实施方案提供了输出定向光输出分布的宽度的减小，以便通过定向光输出分布(如立体角Ωout所述)来提供定向性，该分布小于反射折射光学元件的输入定向光输出分布(如立体角Ωin所述)。

可能期望从反射折射光学元件提供离轴照明。

图2G是以侧视图示出被布置成提供离轴照明的反射折射光学元件的示意图。光轴711可以例如布置在折射表面42的中心与外部反射表面46a、46b的输出端之间。由微型LED3和反射折射光学元件38提供的光锥719可以相对于法线方向倾斜角度721。有利的是，在第一操作模式下，照明设备可以为离轴方向提供窄锥角，而在第二操作模式下，可以提供宽锥角。

可以设置多于一个的离轴反射折射光学元件，每一个包括不同的光轴方向。可以提供与多个离轴反射折射元件中的每个对准的微型LED 3的寻址。有利地，可以实现在不同的离轴定向光输出分布之间的切换。因此，照明设备输出的方向和立体角可以通过控制电路106进行控制。

作为比较，已知显示器背光源可以使用大区域边缘输入光导和光学膜，例如来自3M公司的BEF和后反射器。此类背光源通常可以具有小于8mm，并且更典型地具有大约4mm的厚度。与使用区域光导的常规背光源相比，本实施方案的微型光学期间可以提供厚度减小的背光源。与背光式LCD相比，另外的直接可切换显示器可以被设置有低厚度，并且类似于可以通过OLED(其不是定向的)实现的厚度。

图3A-C是以侧视图示出反射折射光学元件的形状的另外示例的示意图。

图3A示出了低厚度反射折射光学元件38可以被设置有可包括金属化外表面720的外表面46和边缘表面723；分别是弯曲的和线性的透明内表面726、727，包括透明弯曲表面和金属化区域722的端部708。有利地，厚度713可以小于例如图2F的反射折射光学元件38的厚度713。

图3B示出了另一反射折射光学元件38，其中透明内表面727可以具有连续弯曲形状，并且被布置成比图3A的倾斜壁727横向引导更多的光线，从而实现厚度减小。

图3C进一步提供了薄反射折射光学元件38，而无需使用金属化反射区域722。另外，外表面730可以包括分别从输入端707延伸到输出端708的平面部分732和倾斜部分730。

有利地，可以在光学元件中实现窄定向光输出分布，而不会在相邻光学元件之间进行混合，从而在显示应用中提供了低串扰。

现在将描述由折射光学器件、反射光学器件和反射折射光学器件对输出照明的控制。

图4A是以透视图示出提供背景辉光744和中心点光束742、743的多个折射光学元件740、741所进行的照明的示意图。背景辉光744可以通过在折射光学元件740之外传播的光来提供，并且可具有类似于输入光源(其例如可为微型LED 3)的定向光输出分布。辉光744可能不利地提供杂散光，从而降低照明质量，例如增加未授权观看者的背景隐私级别并降低隐私性能。可能不期望地提供具有高亮度的其他附加点光束743。

图4B是以透视图示出提供外部光晕746和中心点光束742的多个反射光学元件所进行的照明的示意图。与图4A的布置相比，可能不存在附加点波束743，然而光晕746会不希望地在更宽的区域上分布光并降低背景照明水平，例如降低隐私性能。可以通过增加反射光学器件的长度749来减小光晕746的大小，然而会增加装置厚度。

图4C是以透视图示出提供中心点光束的多个反射折射光学元件所进行的照明的示意图。与图2K-L的布置相比，不存在背景辉光744或光晕746。有利地，可以在薄包装中提供低杂散光。

现在将描述光导100的操作。

图4D-E是以透视图和侧视图示出具有基本平行侧面的光导100的照明的示意图。

图4D-4G的平板和锥形光导的光轴751可以定义为从输入侧107的中心到输出侧109的中心的对称线，并且可以是具有最短路径长度的线。光导横截面平面可以是在x-z轴上的平面、在y-z轴上的平面或在x-y平面上具有法线的其他平面，其中z轴垂直于照明设备的输出表面。

至少一个光导100可以在通过其光轴751的至少一个光导横截面平面中包括第一光导外表面101和面向第一光导外表面102的第二光导外表面101；其中第一光导外表面101和第二光导外表面102从光导100的第一端107延伸到光导100的第二端109，光导100的第二端109面向光导100的第一端107。

光导通常可以由透明材料提供。如果将LED 103布置在空气中，并且通过诸如聚合物的模制材料提供光导100，则可能不需要金属涂层，从而有利地降低了成本和复杂性。

透明输入表面可以是线性的，使得将LED 103在空气中的定向性保留在波导100内。光导的第一外表面101和第二外表面102在横截面中可以是线性的，如图4E和图4G所示。有利地，可以通过已知的工具加工和模制方法方便地提供此类表面。

光导100的第一端107处的第一外表面101和第二外表面102之间的距离750与光导100的第二端109处的第一外表面101和第二外表面102之间的距离745相同；其中第二定向光输出分布122的立体角742与第二多个LED中的LED 103的定向光输出分布的立体角706基本相同。在操作中，LED 103通常可以提供朗伯定向光输出分布。有利地，第二定向光输出分布122可以基本上是朗伯型的，从而实现照明设备的宽视野。

光导的输入侧743具有微型LED 103被布置在的高度750和区域Ain。输出侧745的高度752与高度750相同，并且区域Aout与输入区域Ain相同，并因此圆锥742的立体角Ωout可以等于或大于输入圆锥706的输入立体角Ωin。因此，宽定向光输出分布可以从微型LED103的平面传输到光导100的输出。宽定向光输出分布可以例如基本上是朗伯型的。

在制造中，工具加工和模制可提供的高度752、750的差异，例如可提供几度的脱模角。有利的是，输出端754的高度752可以比高度743稍大一些，从而实现输出立体角183的某个小幅减小，以及正面照明的输出效率的某个增加。

与输出朗伯定向光输出分布相比，可能更期望减小立体角183。

图4F-G是以透视图和侧视图示出具有锥形侧面的光导的照明的示意图。输出侧749的高度754的增加沿该侧面的高度754的增加方向减小了锥圆756的立体角Ωout。与图4D-E的布置相比，可以增加中心方向上的亮度，以减小立体角Ωout。有利地，可以提供更有效的宽定向光输出分布以供正面观看。

因此，光导100的第一端107处的第一外表面101和第二外表面102之间的距离750小于光导100的第二端109处的第一外表面101和第二外表面102之间的距离745；其中第二定向光输出分布122的立体角742小于第二多个LED中的LED 103的定向光输出分布的立体角706。与图4D-E的布置相比，对于显示设备的轴上输出可以实现更有效的亮度。

在本实施方案中，光导100可以具有透明的第一和第二光导外表面。有利地，可以不提供光导表面的涂层，从而降低成本和复杂性。与涂覆的光导相比，可以进一步提高效率，因为光导可以借助于全内反射。

第二多个LED中的至少一些LED可以是微型LED。

现在将描述显示器的观看锥和观看窗口。

图5A是以透视前视图示出图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布；并且图5B是以透视前视图示出图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供宽定向光输出分布。

光线121提供窄定向光输出分布，这些光线通过反射折射光学元件38的二维阵列引导到具有宽度132和高度130的观看窗口120。眼睛在窗口120内的观察者看到透射空间光调制器112的被照明的至少一些像素303。

光线186提供了宽定向光输出分布，这些光线通过多个光导100引导到具有宽度136和高度134的观看窗口122。眼睛在窗口122内的观察者看到透射空间光调制器112的被照明的至少一些像素303。如果在广角模式下显示器的输出是朗伯型的，则窗口122可以包括一个基本2π球面弧度的观看锥，并且该显示器将有利地从所有角度以相同的亮度观看。

现在将描述跨显示设备区域的观看窗口120的布置。

图5C是以透视前视图示出图1A的定向显示器110、112的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为在显示器的区域上是相同的。因此，观看窗口120、180、182可以指向相同的方向185。

远离显示器中心移动的观察者将观察到距其最近的显示器区域是更明亮的。这是常规显示器的外观，并且有利地随着观察者125的移动而表现为显示器亮度的自然变化。

图5C的布置为显示器用户提供了变化的亮度，因为以不同锥角观察显示器的每个部分。

可能期望为显示用户提供增加的显示均匀性。

图5D是以透视前视图示出图1A的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为指向窗平面187中的公共窗位置120。可以通过在背光照明设备110的区域上偏移微型LED 3的中心与反射折射光学元件3的中心的对准来实现这种布置。

有利地，可以为显示器用户125提供增加的均匀性。

期望在广角操作模式下提供对观看锥的控制。

图5E是示出来自图1A的可切换定向显示器的定向光输出分布的示意图。因此，背光照明设备110可以将光锥提供到相应窗口120、122中。窗口内的亮度随观看方向而变化，因此窄角模式下的光线160具有比光线162更大的发光强度。在窄角模式下，窗口122可能未使用，即LED 103可能未被照明。

在广角模式下，可以通过仅向LED 103的阵列提供照明来获得朗伯输出。然而，可能期望提供在朗伯模式和窄角模式之间的广角观看锥。在一个实施方案中，LED 3、103的两个阵列都可以被照明。

有利地，与仅对LED 103进行照明相比，可以提供更高效率的广角照明轮廓。可以提供来自反射折射光学元件的进一步照明，从而增加显示均匀性。

图5F是示出了包括图1A的反射折射光学元件38和微型LED 3的定向显示器110、112的亮度相对于输出角的曲线图的示意图。定向光输出分布427可具有带半最大值全宽FWHM宽度425的角轮廓。轮廓的形状可以通过LED形状、反射折射光学元件形状和漫射器布置的设计而被设置有期望的滚降。

例如，在广角模式下，可以提供定向光输出分布429。该轮廓可以由例如来自微型LED 3和微型LED 103的输出的光形成。可以通过调整相应多个微型LED的输出发光通量来调谐峰值亮度，以匹配隐私操作模式下的峰值亮度。轮廓可以被布置为在照明设备的整个区域上是相同的，或者可以随照明设备上的位置而变化。

用于环境照明的已知照明器可以包括少量(例如小于10)的宏观方形LED，每个方形LED具有为1mm的半导体芯片宽度，并在用塑料包装之前通过焊料电极附接到引线框架。然后，通过拾放制造方法将封装LED设置在支撑衬底上。

可以与每个宏观LED对准地设置旋转对称的反射折射光学元件。反射折射光学元件的第二端708的距离714可以是20mm，厚度713可以是10mm。可以在宏观LED上提供任选的半球形折射光学元件。

定向光输出分布可以具有通常为6度的旋转对称的半最大值全宽(FWHM)425。

已知显示器背光源可以使用大区域边缘输入光导和光学膜，例如来自3M公司的BEF和后反射器。此类背光源通常可以具有小于8mm，并且更典型地具有大约3mm的厚度。定向光输出分布可以具有为50度的旋转对称的半最大值全宽425。

现在将描述示意性示例以提供用于本公开的照明和显示实施方案的尺寸的示例。

通过比较，用于环境照明、显示器背光和直接显示的本实施方案可以包括微型LED3。

发明人已经考虑到，如将要描述的那样，对于具有微观级元件阵列的定向照明系统而言，有可能实现优异的性能。在本说明书中，此类微观元件被称为微型LED。发明人已经意识到，需要适合于发光元件阵列和已对准光学元件阵列的高精度阵列制造工艺方法，以实现这种微观定向照亮和照明设备。

微型LED 3可以通过阵列提取方法来提供，并且可以如下所述的那样从单片晶圆进行并行提取。多个微型LED中的微型LED 3可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型LED 3的至少一对，对于相应的每对，在单片晶圆中至少有一个相应的微型LED 3，其沿至少一个方向定位在该对微型LED之间的单片晶圆中并且不在微型LED阵列中定位在它们之间。

本实施方案的微型LED 3的宽度或直径可以小于300微米，优选小于200微米，并且更优选小于100微米。如本文将描述的，与拾取和放置方法相比，可以提供大区域阵列提取方法，从而提高放置准确度，减少总体放置时间并降低制造成本和复杂性。

在显示器应用中，对于来自显示设备的定向光输出分布427，可能期望12至24度的FWHM角425以提供舒适的观看自由度并同时实现私密性、节能或减少杂散光操作。

宽度为300微米的微型LED 3和对准的反射折射光学元件38可以使用例如3mm的距离714来实现12度FWHM宽度425，并且可以具有1.5mm的厚度713。类似地，宽度为100微米的微型LED和对准的反射折射光学元件38可以使用例如0.5mm的反射折射元件距离714来实现24度FWHM宽度425，并且可以具有0.25mm的厚度713。

因此，在显示器背光源应用中，在反射折射光学元件的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714可以小于3mm，优选地小于1.5mm，并且更优选地小于0.75mm。有利地，可以最小化莫尔纹和mura伪像。衬底52、47的厚度t1，t2或t3，t4将在下面参考图57A-B进行描述，并且例如可以在100和500微米之间。

有利地，可以实现用于照明空间光调制器112的非常薄的背光源110。另外，照明设备的厚度可以小于常规波导型背光源的厚度。

在另一个示意性实施方案中，空间光调制器112的像素303可以按25微米×75微米的间距来布置，并且距离714可以是0.3mm，其中微型LED宽度或直径为60微米。

有利地，可以最小化莫尔纹和mura伪像。另外，照明设备的厚度可以小于常规波导型背光源的厚度。

在通过图像像素数据来驱动微型LED的直接显示实施方案中，反射折射光学元件的间距可以确定显示器在至少一个方向上的分辨率。在反射折射光学元件的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714可以小于0.3mm，优选地小于0.15mm，并且更优选地小于0.1mm。本直接显示器实施方案的微型LED 3的宽度或直径可以小于60微米，优选小于30微米，并且更优选小于20微米。

在环境照明应用中，对于窄光束角的定向光输出分布427可能期望为6度的FWHM角425。在反射折射光学元件的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714可以小于6mm。

图6A是以侧视图示出定向显示器的操作的示意图，其中宽定向光输出分布的锥角小于由图2B的平行侧面光导100提供的定向光输出分布。有利地，可以通过减小离轴亮度来增加照明设备的正面亮度效率。

图6B是以透视前视图示出定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置成提供可在宽模式和窄模式之间切换的定向光输出分布。

因此，光导100的侧面101、102可能不平行，并且被设置有扩展的锥度，使得输出端109的尺寸大于输入侧107的尺寸。这样的布置提供窄输出锥角，并且可以由小于观看窗口122的锥角的光线188提供观看窗口123。

有利地，可以在广视角模式下提高显示器效率。

在使用中，通常优选围绕水平轴旋转诸如移动显示器的显示器以获得最佳视角，而在横向方向上通常优选中心观看位置，特别是对于窄角度操作。

图6C是以侧视图示出包括不同形状的光导和反射折射光学元件的定向照明设备的操作的示意图。有利地，与例如图6A的布置相比，可以更精细地调整组合的光导100和反射折射光学元件的定向光输出分布。

因此，期望提供具有大范围的垂直视角且具有较小的横向观看定向光输出分布的显示器照明。对于本实施方案，x轴被称为横向方向并且y轴被称为正交方向。

图7A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器48的沿正交方向延伸的多个反射折射光学元件38和多个光导100。因此，多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件38在垂直于反射折射横截面平面的方向上延伸，例如图2F所示。另外，多个光导中的至少一些光导100在垂直于反射折射横截面平面的方向上延伸，并且因此平行于延伸的反射折射光学元件。

在其中反射折射光学元件38延伸的实施方案中，例如以提供圆柱形折射表面42，则光轴可以是平面中的一条线，该线是反射折射光学元件38的对于折射表面和反射表面的对称轴。

与图1A的实施方案相比，反射折射光学元件38是圆柱形的，也就是说，它们在正交方向(y轴)上延伸。多个光导100沿着沿着相同的正交方向的列布置，并且散布在反射折射光学元件38的列中。有利地，可以提供一维可切换定向光输出分布。

图7A的观察者121、125的操作与图2A的顶视图所示的操作基本相同。

反射折射光学元件38可以沿着具有摆动或变化方向的轨迹延伸以有利地实现一些横向漫射。

可能期望将反射折射光学元件38和光导100的输出混合在一起以提供背光源，同时降低反射折射光学元件38和光导100之间的间隙的可见性。

图7B是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成通过横向方向上的窄定向光输出分布来照明空间光调制器的多个反射折射光学元件38和多个光导100。

多个光导100沿着横向方向的行布置，这些行散布在反射折射光学元件38的行中。有利地，实现了反射折射光学元件38与光导100之间的间隙的可见性降低。

图8是以透视前视图示出来自图7A-B的显示器110、112的定向光输出分布的透视图。在这种布置中，横向方向是水平的并且正交方向是垂直的。微型LED 3的照明提供了具有大垂直高度134和窄横向宽度138的观看窗口124。LED 103的照明提供了具有相同垂直高度134和宽横向宽度136的观看窗口122

有利地，可以提供显示器110、112，其可以在窄横向观看窗口和宽横向观看窗口之间切换。垂直观看窗口高度可以基本上相同，使得显示器可以方便地绕水平轴旋转以便用于观看舒适性。

现在将更详细地描述图7B的反射折射光学元件38和光导100的结构。

图9A是以透视侧视图示出与垂直延伸的反射折射光学元件对准的发光元件的示意图。因此，多个光导中的至少一些光导100在与反射折射光学元件38的延伸方向正交的方向上延伸。

反射折射光学元件38可以包括折射壁42、透镜表面44和成形反射表面46。光线290、292被侧壁42或透镜表面44折射并且可能在反射表面46处通过全内反射来反射。

端部43可以被布置有光导100的侧面102之间的空气间隙。因此，反射折射光学元件38内的光可以被侧壁43围绕正交方向反射，具有相同的横向定向光输出分布。

图9B是以顶视图示出多个LED的示意图。微型LED 3可以在正交方向上延伸，而LED103可以在横向方向上延伸。LED 3、103的数量和区域可能不同。具体地，对于相同的显示器亮度，与微型LED 3的区域相比，LED 103的更大表面区域是期望的，这是因为针对广角工作模式要求填充较大锥角的光量。

当照明空间光调制器112的像素303时，期望减小反射折射光学元件38和光导1的孔的可见度。另外，期望减小两个结构之间的莫尔图案化。

图10是以透视前视图示出用于可切换定向显示器的多个LED 3、103以及空间光调制器112的漫射器元件311、309的透视图；并且图11是以侧视图示出用于可切换定向显示器的漫射器元件的操作的示意图。

如图10所示，与横向方向相比，后漫射器311可以在正交方向上设置有增加的漫射315，而前漫射器309的漫射317可以是基本对称的。

如图11所示，间隙319和漫射器311、309提供了来自光导100的输出109的光的混合。因此，来自孔107的光线323与漫射光线325组合，其一起形成来自光导100的光似乎源于的扩展区域140。因此，尽管光导的输出尺寸较小，但光导可能看起来似乎分布在反射折射光学元件38的整个区域上。来自反射折射光学元件38的锥角小于来自光导100的锥角，并因此减小可在正交方向上提供的漫射量。然而，光导的相对较小的宽度提供了较小的用于漫射和填充反射折射光学元件之间的间隙的区域。

有利地，将光导布置成在横向方向上延伸的行可以提供改进的均匀性，这是由于可在正交方向上使用的更大的漫射。

期望从显示器的不同区域提供不同的视角特性。例如，可能希望为显示区域的一部分提供隐私功能，同时显示器的其余部分更广泛可见。

图12是以透视前视图示出可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器具有带不同定向光输出分布的可寻址区域。例如，如针对图1D-1E所示和所述，LED 3、103可以单独寻址或成组寻址。因此，一些区域141a可能仅被提供有微型LED 3的照明，而区域141b可能被设置有LED 103的照明或LED 3、103两者的照明。

另外，可以调整在区域147a、147b中提供的数据以便与照明功能相对应。例如，可以在区域147a中显示安全数据，而可以在区域147b中显示更公共的信息。

图13是以透视前视图示出可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器包括背光源，具有带不同定向光输出分布的可寻址区域。在区域143c中，显示器可以被布置为关于窗口124a仅提供窄横向角度的操作，而在区域143d中，显示器可以在窄窗口124a和宽窗口122之间切换并与相应的图像数据147c、147d对准。

有利地，可以在区域143c中省去光导100，并且可以将显示器配置为具有增加的开口率和增加的均匀性。可替代地，可以在显示器的一些区域中消除反射折射元件以提供增加的广角均匀性。

可能期望提供具有高动态范围操作的可切换定向显示器，以在窄和宽定向操作模式下均实现高水平的图像对比度。

图14是以透视前视图示出可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器被布置为在定向操作模式下提供高动态范围操作；并且图15是以透视前视图示出可切换定向显示器的示意图，该可切换定向显示器被布置为在窄和宽定向操作模式下提供高动态范围操作。因此，控制系统包括背光源控制器106，该背光源控制器被布置为驱动背光源设备110的第一区域中的第一和第二多个LED 3、103中的至少一个，其光输出高于在背光源设备110的第二区域中的光输出。背光源控制器106被布置为与由显示器控制器108提供给透射空间光调制器112的图像数据相对应地驱动第一和第二多个LED中的至少一个的区域。

如图14所示，可以将背光源寻址为微型LED 3的区域，使得可以为区域143a中的微型LED 3(对应于输入图像数据的高亮度)提供高光通量，然而区域143b中的微型LED 3(对应于输入图像数据的低亮度)可以被设置有小光通量。以这种方式，可以在定向操作模式下增加图像的对比度。

如图15所示，在区域143a(对应于输入图像数据的高亮度)中，微型LED 3可以被设置有高光通量，然而区域143b中的LED 103(对应于输入图像数据的低亮度)可以被设置有小光通量。以这种方式，可以在相同显示器上同时以窄和宽操作模式增加图像的对比度。

本公开的背光式显示器实施方案包括空间光调制器112，与单独的背光源相比，空间光调制器降低效率并增加显示设备的厚度。期望增加效率并减小可切换显示设备的厚度和复杂性。

现在将描述直接定向显示器的操作。直接显示器是一种显示器，其中像素数据由显示器的发光器提供，并且不包括单独的遮光空间光调制器112。通过与图1A-17的实施方案进行比较，像素数据直接由与光学元件阵列对准布置的LED提供；而不是由空间光调制器112的像素303提供。

图16是以侧面透视图示出可切换定向直接显示设备200的示意图，该可切换定向直接显示设备包括反射折射光学元件38的二维阵列和多个光导100。像素微型LED 203和像素LED 210(其可以是像素微型LED)分别与反射折射光学元件38和光导100对准。图17是以顶视图示出图16的微型LED、折反射光学元件38和光导100的布置的示意图。

因此，直接显示设备可以包括前述实施方案的可切换照明设备，其中控制电路206还包括用图像像素数据驱动第一和第二多个LED(分别是像素LED 203、213)的装置。

直接显示设备200的图像分辨率可以由反射折射光学元件38的间距确定。期望提供具有可切换定向性的高图像分辨率。再次参考图2F，在反射折射光学元件38的至少一个反射折射横截面平面中，在反射折射光学元件38的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714可以小于0.5mm，优选地小于0.25mm，并且更优选地小于0.1mm。像素微型LED 203的宽度可以小于100微米，优选地小于50微米，并且更优选地小于25微米。窄定向光输出分布120的立体角181可以比例如可在环境设备中实现的立体角更宽，因此可以减小反射折射光学元件38的宽度714与像素LED 203的宽度的比率，从而在给定显示器分辨率下提供更大的像素LED 203宽度。有利的是，可以使用具有更大最小尺寸的像素微型LED203提供高的直接显示分辨率，从而减小制造复杂性和成本。

通过与图1A的背光源设备进行比较，像素LED 203、103可以各自具有针对红色204、绿色205或蓝色207的颜色外观而调谐的光谱输出。可以附加地提供诸如黄色或青色的彩色像素(未示出)以进一步扩展色彩空间。

发光元件可以由蓝色发光元件(诸如氮化镓半导体元件)或者由直接的红色或绿色发光半导体材料形成。元件还可以被设置有诸如磷光体或量子点材料的颜色转换材料以提供成为期望色带的颜色转换。

像素LED 203、213可以按列或行或其他镶嵌形式设置以提供期望的图像保真度。如图1C所示，反射折射光学元件38可以被设置有六边形而不是正方形的填充。

期望增加可切换横向-纵向定向显示设备的效率，并且进一步提供一种可切换照明设备。

图18A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括反射折射光学元件的第一阵列504和第二阵列506以及多个光导100，其被布置成提供第一和第二窄定向光输出分布124、524以及广角分布122。图18B是以顶视图示出图18A的多个LED和已对准反射折射元件的示意图。

显示器的操作类似于将参考图47描述的布置，其中与图47的光导相比并如本文其他地方所述，光导100提供了广角模式。

有利的是，可以将光导100布置在衬底47上，并且因此与下面的图41A-D中所述的组装方法相比，可以降低该组装方法的复杂性。

期望以有效方式对微型LED 3的阵列寻址。还期望通过减小数量的列电极800和行电极802来寻址广角和隐私微型LED 3。

图19A是示出用于多个LED的寻址系统的示意图。多个微型LED 3中的每个微型LED3的电极8分别连接到一个列寻址电极800和一个行寻址电极802以形成矩阵。微型LED 3的电极8分别被称为阳极和阴极。阳极电位优选比阴极电位大出微型LED的正向电压降(Vf)，因此微型LED 3优选正向偏置。在此实施方案中，电流源816的阵列用于驱动寻址电极800每个行电极802上的电压被顺序加脉冲以扫描或寻址微型LED 3的阵列。电流源816可以为每个列电极800提供，或者可以在一组列电极700中进行时分复用(共享)。微型LED 3具有相对陡峭的电压-电流曲线，并且可以在非常短的脉冲下操作而不会在其件发生串扰。微型LED3的阵列形成可寻址背光源或显示器，而无需在每个像素处使用其他有源部件(诸如TFT或集成电路)。有利地，寻址矩阵是简单且低成本的。

图19B是示出多个LED的另一个寻址实施方案的示意图。多个微型LED 3中的微型LED 3由列寻址电极800和行寻址电极802寻址以形成1维或2维矩阵。为了清楚起见，仅示出矩阵的一个微型LED 3以及一个列电极800和一个行电极802。图19B与图19A的不同之处在于，每个微型LED 3具有与其相关联的集成电路808，该集成电路包括存储装置或存储器或锁存功能。集成电路808可以是模拟或数字电路，并且可以体现为如美国专利号8,985,810中所述的那样沉积的单独芯片，或者可以体现为薄膜晶体管(TFT)。集成电路808可以被设置有一个或多个附加电源电位V1、V2(仅示出V1)。当对行电极802施加脉冲时，集成电路808的时钟输入810存储与数据输入812连接的列电极800的电压。集成电路808的输出814驱动微型LED 3。微型LED的另一端连接到电源电位V3。集成电路808可以包括电压-电流转换器。可以更改微型LED 3的电位V3以及阳极和阴极连接以使得微型LED正向偏置并发光。集成电路808提供给微型LED 3的驱动的持续时间长于行电极802上的寻址脉冲的持续时间，并且减小了微型LED 3的峰值电流驱动。有利地，可以减小每个微型LED 3中的峰值电流。

图19C是示出用于多个LED的另一个寻址系统的示意图。

控制电路在每个行电极802和列电极800的电极交叉点处包括数据值存储装置808以用于提供至少两个数据值，其中至少两个数据值中的一个被供应给第一多个LED中的至少一个LED 3a，并且至少两个数据值中的另一个数据值被供应给第二多个LED中的至少一个LED 3b。多个微型LED 3中的微型LED 3由列寻址电极800和行寻址电极802寻址以形成1维或2维矩阵。图19C与图19B的不同之处在于，一个集成电路存储装置808可以存储一个以上的微型LED 3的值。在这种情况下，示出了两个。当第一次对行电极802施加脉冲时，集成电路存储装置808的时钟输入810存储与数据输入812连接的列电极800的电压，该数据输入驱动输出Q1。当下一次对行电极802施加脉冲时，集成电路存储装置808的时钟输入810存储与数据输入812连接的列电极800的电压，该数据输入现在驱动输出Q2。然后重复寻址过程以使得整个显示器通过奇数场和偶数场顺序寻址。微型LED 3的电位V2和V3可以相同或可以不同，例如，当微型LED 3由诸如有机LED(OLED)和无机LED的不同技术实现时，或者对于不同颜色的微型LED 3(例如RGB)。在又一示例中，Q1可以驱动微型LED 3以用于广角模式，并且Q2可以驱动微型LED 3以用于隐私模式。显示矩阵可以被布置为包括多于一种类型的集成电路808。例如，图19A和图19B所示的类型可以被布置为驱动1或2种微型LED 3。有利地，与图19A的情况相比，需要更少的寻址电极800、802。电极布置和控制系统的成本和复杂性降低。

图19D是示出多个LED的另一个寻址实施方案的示意图。控制电路在每个行电极802和列电极800的电极交叉点处包括电极805，其连接到第一多个LED的LED 3a和第二多个LED的LED 3b；并且还包括连接到相应的第一和第二多个LED的第一控制电极807和第二控制电极809；其中控制电极807、809连接到多个电极交叉点。

多个微型LED 3中的微型LED 3由列寻址电极800和行寻址电极802寻址以形成1维或2维矩阵或阵列。在该实施方案中，行电极802连接到TFT 806的栅极，并且当行寻址电极802被施加脉冲时，来自列寻址电极800的数据被存储在电容器818上。电容器818与通常在矩阵中用于驱动LCD面板的电容器相比可能较小，并且可以由放大器804的输入电容提供。放大器804可驱动一个或多个微型LED 3。可以为放大器804提供1或更多的电源电压(未显示)。放大器804可以包括电压-电流转换器电路。在此示例中，示出了两串3个微型LED 3。微型LED 3的电位V2和V3可以相同或不同，并且每个电位的相位可以在相位上与显示器或背光源的可寻址图像帧同步地变化。电位V2和V3的控制为放大器804提供了选项以控制和照亮具有相同数据值的任一串或两串微型LED 3。例如，如果从放大器804输出的电压没有比电压V2大出所连接的该串微型LED 3的正向电压降(Vf)，则微型LED 3将不会照亮。因此，例如连接到V2的一串可以例如是隐私微型LED 3，并且连接到V3的另一串可以是广角微型LED3，并且通过控制V2和V3，可以控制一串或两串微型LED 3。V2可以是处于行电极802和列电极800的相应交叉点处的许多微型LED 3的公共电极。类似地，V3可以是处于行电极802和列电极800的相应交叉点处的许多微型LED 3的独立公共电极。因此，V2和V3的电位控制可以全局控制通过既助于寻址电极800、802提供的数据来照亮哪一组LED。

有利地，与图19A的情况相比，需要更少的寻址电极800、802。另外，在交叉点处不提供数据存储装置，不使用多个寻址周期。电极布置和控制系统的成本和复杂性降低。

期望为单独微型LED 3的故障提供一定的显示或背光源弹性。故障可能是例如可由于制造中的放错位置而引起的开路，或者可能是例如由于损坏的电极布线而引起的短路。

图19E是示出用于多个LED的另一个寻址系统的示意图。多个微型LED 3中的微型LED 3由列寻址电极800和行寻址电极802寻址以形成1维或2维矩阵。在该实施方案中，微型LED 3以桥接串的形式布置。这种配置防止单独微型LED 3开路或短路。有利地，显示器或背光源可以容错并且更可靠。

图20是以侧视图示出可切换定向直接显示器的示意图。定向显示器的操作类似于图2B所述的操作，以分别提供来自反射折射光学元件阵列38和光导100的可切换查看窗口120、122。漫射器元件211可以设置在透明衬底47的前表面上以提供观看窗口的角度漫射，从而与反射折射光学元件38可实现的情况相比，在窄角度模式下产生更平滑和/或更宽的滚降。

在操作中，环境光源可能从显示结构中的光学部件反射，从而不期望地减小显示对比度。可以进一步提供偏振器315和延迟器305层以通过对环境光提供光学隔离来减小正面反射。由偏振器315传输的环境光可能修改其偏振状态，使得从诸如反折射光学元件38、光导100和背板52的光学部件反射的环境光在偏振器315中被吸收。延迟器305可以例如包括四分之一波片或其他延迟器或延迟器堆叠。有利的是，可以减小正面反射的可见度并改善显示器对比度。

在操作中，第一多个LED中的LED 203被布置为向第一多个图像像素提供第一定向光输出分布120，并且第二多个LED中的LED 213被布置为向第一多个图像像素提供第二定向光输出分布122。

可以另外提供漫射器或较宽像素LED以增加窄角定向模式的锥角。

有利地，可以提供高分辨率的可切换定向直接显示器。与图1A的定向显示器相比，显示器的厚度可以极大地减少。

另外，空间光调制器112(诸如图1A中的LCD)的传输效率可能小于10％并更典型地是小于5％。通过比较，图20的直接显示器200的效率和亮度可以比图1A的背光式显示器的效率和亮度有利地高十到二十倍。

可能期望提供用于可切换定向直接显示器的一维窄定向光输出分布。

图21是以侧面透视图示出可切换定向直接显示设备的示意图，该可切换定向直接显示设备包括反射折射光学元件的一维阵列和光导的一维阵列。因此，反射折射光学元件和光导在正交方向(y轴)上延伸并且在横向方向(x轴)上排列。

与图7B的背光源相比，反射折射光学元件138之间的在横向方向上的间隙可能会增加，因为该设备未被布置为提供均匀的输出以最小化图像莫尔纹。

有利地，LED可以能垂直条纹布置，从而为具有直线的图像提供增强的图像保真度。另外，减小了光学元件38、100的阵列的制造复杂度。

相比之下，如果将图9A的光导设备用于显示设备，则来自壁43的反射光将导致相邻像素行之间出现图像数据混合的现象，这可能会降低图像对比度。有利地，图21的像素布置提供增加的图像对比度。

图22是以顶视图示出图21的LED、反射折射光学元件和光导的布置的示意图。显示器控制器206被布置成通过分别借助于列驱动器192和行驱动器194以及列和行电极190、191分别选择像素LED 203、213的光通量来提供显示数据和定向控制。

有利地，电极布置具有降低的复杂性。广角模式的像素微型LED 203的像素大小和形状可能更大。

图23是以侧视图示出根据本公开的图21的可切换定向直接显示器的针对宽和窄定向光输出分布的定向光输出分布的示意图；并且图24是以前视图示出图21的可切换定向显示器对于宽和窄定向光输出分布的操作的示意图。来自像素微型LED 203、213的两列的光都被引导到较大的垂直锥角。因此，当在横向方向上以窄角和广角模式设置照明设备时，垂直方向上的定向光输出分布120、122可以相同。有利地，板的垂直视角在正交方向上较大，从而提供了板绕x轴的方便旋转以用于观看舒适感。

图24还说明了可切换方向直接显示200的角度属性可以为观看者的横向移动提供窄和宽观看窗口。

有利地，可能以低厚度高效地提供可控制的定向照明。

可能期望提供不是常规矩形的显示器形状，例如用于可穿戴应用、汽车应用、或其设计和功能可通过不规则显示格式得到改善的其他环境。

图25是以前视图示出包括二维反射折射光学元件阵列的自由形式的可切换定向显示器的示意图；图26是以前视图示出包括一维反射折射光学元件阵列的自由形式的可切换定向显示器的示意图；并且图27是以前视图示出包括可穿戴二维反射折射光学元件阵列的自由形式的可切换定向显示器的示意图。

有利地，本实施方案的可切换定向直接显示器200和背光源110可以具有非矩形形状，并且可以通过从母板制造的元件中提取阵列来形成，并因此非常适合于非标准形状因子。将在下面描述此类制造过程。

图28是以前视图示出包括二维反射折射光学元件阵列的柔性自由形式的可切换定向显示器的示意图。

如以下将描述的，本实施方案的可切换方向直接显示器200可以具有低厚度并且不包含液晶材料。另外的柔性材料可用于背板52和透明衬底47。

有利地，可切换定向显示器可以被布置成对于背光源和直接显示器应用都是柔性的以及自由形状的。

现在将描述可以被布置成在窄角度照明和广角度照明之间切换的环境照明设备。

图29是以透视图示出可切换环境照明设备的示意图。图16的红色、绿色和蓝色像素微型LED可以替代地由白色微型LED 3、103提供。在操作中，用户可以选择具有窄定向光输出分布122的聚光灯照明模式以在窄区域内照亮物体230，或者选择具有宽定向光输出分布122的漫射照明模式以照亮较宽区域的上对象并改变照明的性质。混合宽模式和窄模式可以提供两种模式之间的调谐。另外，如本文其他地方所述，窄模式可以在一维上可控。有利地，用户可以调整照明器的照明输出。

在本实施方案中，多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38包括对第一多个微型LED 3的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。通常，反射折射光学元件在可见光谱中可以是透明的。

上述实施方案的光导100在整个背光源的区域上减小了反射折射光学元件阵列的填充因子。对于给定发光元件尺寸，减小的填充因子可以在背光源应用中提供增加的不均匀性，并且减小背光源或直接显示器的分辨率。期望增加反射折射光学元件的填充系数以增加背光源均匀性。

图30是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源114，其具有被布置成照亮空间光调制器112的反射折射光学元件的一维阵列和多个光导400。LED 3、403分别与反射折射光学元件38和光导400对准。

光导400被布置为通过折射和全内反射来引导光。光导400与光导100的不同之处在于，它们被布置为将来自第二多个LED中的多个LED的至少一些光引导到反射折射光学元件38中。作为比较，光导100通常被布置为在反射折射光学元件38之间引导光。如本文将描述的，两个光导通过引导来引导至少一些光，该引导通常是在光导的至少一个表面处的全内反射。

图31-32是以顶视图示出用于图30的可切换定向显示器的多个LED的示意图。背板52可包括微型LED 3的第一阵列和LED 403的第二阵列。显示了与光导的对准。在图31中，LED 403作为单个LED设置在微型LED 3的每一列之间。此类元件被布置成基本上填充微型LED 3的列之间的区域。图32示出了另一个实施方案，其中LED 403被布置为交错像素列。有利地，这种布置可以提供对LED 403的亮度的更多控制以实现对横向定向光输出分布的控制。另外，可以在微型LED 3旁边提供LED 453。可替代地，LED 403可以延伸到微型LED 3的旁边。如下所述，此类布置可以提供增加的均匀性。

图33A是以顶视图示出可切换背光源设备的示意图。来自LED的光线440被引导到第一观看窗口420，而来自LED 403的光提供了光窗口422，如下将描述。

与图2B的布置相比，例如，观看窗口120、422基本上不重叠，但是它们一起可以提供较宽的观看自由度。

图33B是示出来自可切换定向显示器的定向光输出分布的示意图。因此，观看窗口120由微型LED 3形成，并且观看窗口422由LED 403形成并且基本不重叠。

图34是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有被布置成照亮空间光调制器的反射折射光学元件的二维阵列和光导的二维阵列。显示器的操作可能类似于图33A中的一维所示，然而可以实现二维查看窗口控制。

二维查看窗口控制可以有利地实现提高的光效率和降低的功率消耗。

图35A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向直接显示设备包括反射折射光学元件38的二维阵列和光导400的一维阵列，并且图35B是以顶视图示出图35A的可切换定向显示器的操作的示意图。因此，可以提供可切换定向直接显示器216，其中像素LED 203、423分别与反射折射光学元件38和光导400对准。显示器可以包括本领域已知的其他层以减小来自显示器表面的反射，例如，除了输出漫射器437之外，还可以提供线性偏振器436和延迟器438。例如可以是四分之一波长延迟器或半波延迟器的偏振器436和延迟器438可以被布置为通过光学隔离来减小来自背板衬底52的反射。

与图33A的布置相比，像素LED的阵列不用附加LCD显示器即可提供显示。有利地，可以减小厚度并且可以提高效率。

图35C是以顶视图示出背板52上的像素LED 203、423的布置的示意图，其中像素LED 203、423由被布置为发光的至少一种无机半导体材料形成(诸如氮化镓)，并且进一步与波长转换材料(例如磷光体或量子点材料)对准以形成彩色像素行430、432、434。因此，第一和第二多个LED203、423各自被布置为向第一光学系统38和第二光学系统400提供多于一个光谱带的光。

有利地，可能以高亮度和低厚度形成具有可切换定向性的彩色显示设备。

图35D是以顶视图示出背板52上的像素LED 2030、4030的布置的示意图，其中像素LED 2030、4030由至少一种有机半导体材料形成并且是OLED。因此，第二多个LED 403可以包括有机LED。像素LED 2030、4030可以通过在与校正元件400或反射折射光学元件38相对应的位置中对OLED材料进行图案化来形成。有利地，像素LED 2030、4030可以通过精确(通常是光刻)掩模工艺形成以降低成本。

图35E-F是以顶视图示出背板52上的像素LED的布置的示意图，其中像素微型LED203由至少一种无机半导体材料形成，并且像素LED 4030由至少一种有机半导体材料形成。

图35E示出了行434中的蓝色像素可以由无机材料形成，而行430、432中的红色像素和绿色像素可以由有机材料形成。有利地，与图35D的布置相比，可以改善显示器的颜色和使用寿命。

图35F示出了与反射折射光学元件38相对应的像素微型LED 203可以由无机半导体材料形成，然而与校正光学元件400相对应的像素LED 4030可以由有机半导体材料形成。有利地，与图35C的布置相比，像素LED 4030的广域覆盖范围更容易实现。

现在将描述光导400的阵列的操作。

图36A是以侧视图示出光耦接到中间发光元件的光导中的光线传播的示意图。光导400的侧面446的形状可以类似于反射折射光学元件38的外表面46a、46b的形状。第一光导外表面46a和第二光导外表面46b是透明的，使得例如光线421可以穿过它们。

在至少一个光导400的横截面平面中，第一光导外表面446a成形为与相应的相邻反射折射光学元件38的第一外表面46a的形状基本相同。第二光导外表面446b也成形为与相应的相邻反射折射光学元件38的第二外表面46b的形状基本相同。第一光导外表面446a和第二光导外表面446b之间的距离448在光导400的第一端处最大。

第一光导外表面446a与相邻反射折射光学元件38的第一外表面46a对准并具有间隙447a，并且第二光导外表面446b与相邻反射折射光学元件38的第二外表面46b对准并具有间隙447b。间隙可以由折射率比反射折射光学元件38和光导400的材料更低的材料构成，并且可以是空气。

有利地，可以在光导400中为光线444提供全内反射。

LED 420发出的光线420可能被透明衬底47的外侧反射。这样光可以在光学系统中再循环。

有利地，再循环光可提供相邻光学元件之间的增加的混合并提供增加的背光源均匀性。

例如，当在如图35A所示的可切换定向直接显示器应用中使用时，可能期望减少相邻校正元件之间的串扰。

图36B是以侧视图示出被设置有空气间隙407的光导中的到中间发光元件423的光线传播的示意图。

第二定向光输出分布122的至少一部分可以由来自第二多个LED中的LED 403的输出光提供，该输出光透射通过第一光导外表面446a并由反射折射光学元件38的外表面46a透射。

光线422以小于临界角的角度在光导400的介质内传播，并且在通过衬底47透射后可能输出到空气中。沿正向方向发射的光线444被光导400的内表面446反射并指向背板，在此处它们可能会被散射和反射或可以被吸收。

有利地，减小了相邻光导400之间的串扰。因此，图36B的布置可能更适合于直接显示器，然而图36A的布置可能更适合于背光源。

图36C是以侧视图示出来自与反射折射光学元件对准的LED的光线传播的示意图。因此，独立于光导400提供光线440。

有利地，可以提供窄角定向照明。

现在将通过考虑给定光线传播方向的光线原点来描述反射折射光学元件38和光导400的阵列中的光线传播。

图37是以侧视图示出光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向在包括光导的显示器中的法向方向上。图38是以侧视图示出光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与包括光导的显示器中的法向方向成20度。

因此，第二定向光输出分布122的至少一部分由来自第二多个LED中的LED 423的输出光线491、493提供，其在第二光导外表面446b处通过全内反射来反射。另外，第二定向光输出分布122的至少一部分由来自第二多个LED中的LED 423的输出光线(未示出)提供，其在第一光导外表面446a处通过全内反射来反射。

图39是以侧视图示出光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与包括光导的显示器中的法向方向成40度。

因此，对于处于不同视角的观看者，光线可能来自包括3、452和454在内的不同位置处的LED。为了实现整个视角范围(例如朗伯特性)，可以在光学元件38、400的整个横向范围内提供LED，类似于图31-32所示的情况。

折射界面46、446的其他色差通过匹配成形的接口进行补偿，从而减小伴随视角的颜色变化。

通过比较，当没有提供校正元件时，将描述在20度视角下的光线的起源。

图40是以侧视图示出光输出方向的光线起源位置的示意图，该光输出方向与不包括光导的显示器中的法向方向成20度。因此，可能需要光束456中的光线以便在反射折射光学元件的整个宽度上输出光锥。背板52上的LED 403可能无法方便地提供此类光线。

通过与本实施方案进行比较，在该示意性示例中，图39的布置可能无法在约20度的角度下提供期望的照明水平。因此，将减小观看窗口422的亮度，并在这些角度下降提供显示器亮度的横向不均匀性。另外，如果将杂散光提供到光束456中，则可以在相邻元件之间提供串扰，从而减小显示器对比度。

有利地，与图40的布置相比，本实施方案实现了减小的串扰、更高的角度均匀性和更高的效率。

图41A-D是以侧视图示出形成多个光导的方法的示意图。在如图40A所示的第一步骤中，在背板衬底52上形成多个微型LED 3，每个微型LED3包括发光装置460，该发光装置可以是例如氮化镓发光二极管。第一或第二多个LED还可以包括波长转换层，使得任选地可以在装置460上形成颜色转换层462，其可以是磷光体或可以包括量子点或其他转换装置。电极(未显示)进一步在衬底52上形成并且被布置为提供与发光装置460的电连接性。

在第二步骤中，如图41B所示，通过模制到LED 403的位置上，在LED 403上方形成光导400。材料400可以例如是硅树脂材料。

在如图40C所示的第三步骤中，形成多个反射折射光学元件38，并且可以在反射折射光学元件38的模制期间或之后将其布置在透明衬底47上。

在第四步骤中，将反射折射光学元件38的阵列和衬底与背板衬底52对准。

可能期望减小发光元件403的面积。

图42是以侧视图示出替代光导400的示意性，该替代光导还包括整体散射材料470。多个光导中的光导400还包括光散射材料470。材料470可以包括散射光的填充材料(诸如二氧化钛)，也可以是颜色转换材料462(诸如磷光体或量子点)以转换由发光装置460发射的光的波长。因此，多个光导中的光导400或光导100还可以包括波长转换材料462。

在操作中，穿过光导400中的散射材料470的光线472可能被散射，并从而增加发光元件403的外观面积，进而实现宽视角特性。类似地，对于光导100，可以通过合并散射材料(可能是波长转换材料)来增加光导的外观发射面积。

有利地，可以减小发光元件403的尺寸，从而降低LED 403的阵列的成本，并进一步降低背板52组件的复杂性。

可能期望提供一种显示器，该显示器在横向方向上具有窄定向光输出分布并且在正交方向上具有宽定向光输出分布，并且进一步在照明装置或显示装置的横向和纵向定向上实现这些模式。

图43是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括具有反射折射光学元件38的第一阵列500和第二阵列502的背光照明设备110，其被布置为通过第一和第二窄定向光输出分布以及通过更宽定向光输出分布照明透射空间光调制器112；并且图44是以顶视图示出图43A的多个LED3、403和已对准反射折射元件的示意图。

反射折射光学元件38的第一阵列500可以被布置为在横向方向(x轴方向)上提供窄定向光输出分布。第二阵列502可以被布置为在正交方向(y轴方向)上提供窄定向光输出分布。例如，如图44所示，第一阵列500和第二阵列502可以布置在重复行中。可以在第一阵列中的微型LED 3之间布置另外的光导400和LED 403。

现在将描述图43的显示器的操作。

图45是以透视前视图示出图43的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供处于横向定向的可切换定向光输出分布；并且图46是以透视前视图示出图43的定向显示器的操作的示意图，该定向显示器被布置为提供处于纵向定向的可切换定向光输出分布。

在第一操作模式下，如图45所示，显示器以横向定向放置(其中长边基本平行于x轴)，阵列500中的微型LED 3被照明以便在横向方向上提供窄定向光输出分布124，其中在正交方向上具有宽观看自由度。

在第二操作模式中，被布置有光导400的LED 403以及反射折射光学元件的第一阵列500的进一步照明提供了由定向光输出分布122示出的宽观看自由度，如本文中其他地方所述。

在第三操作模式下，如图46所示，显示器以纵向定向放置(其中短边基本平行于x轴)，阵列502中的微型LED 3被照明以便在横向方向上提供第二窄定向光输出分布524，其中在正交方向上具有宽观看自由度。

有利地，提供了一种显示设备，其可以在横向和纵向定向上实现在横向方向上窄定向光输出分布，同时在正交方向上实现宽观看自由度。

任选地，可以省略光导400和LED 403，并且通过反射照明光学元件38的第一阵列500和第二阵列502的LED照明来实现宽定向光输出分布。这种布置可以在观看象限中提供降低的亮度，从而为位于显示器上方和侧面的观看者实现向下看的隐私效果。

期望增加可切换横向-纵向定向显示设备的效率，并且进一步提供一种可切换照明设备。

图47是以侧面透视图示出可切换定向显示器510的示意图，该可切换定向显示设备包括反射折射光学元件38的第一阵列500和第二阵列502以及多个光导400，其被布置成提供第一和第二窄定向光输出分布124、524以及宽定向光输出分布122，如图44A-B所示。显示器510的操作类似于图43A-B的背光照明设备110，然而LED可以由像素LED 203、423提供颜色像素数据。

有利地，提供了一种显示设备，其可以在横向和纵向定向上实现在横向方向上窄定向光输出分布，同时在正交方向上实现宽观看自由度。与图43的背光式显示器相比，这种显示器更薄且更高效。

期望提供一种可切换定向照明设备或可切换定向显示设备，并进一步最大化多个反射折射光学元件的填充密度，并且进一步提供复杂度和成本降低的光学元件阵列。

图48是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备具有背光源610，该背光源具有反射折射光学元件38的二维阵列以及第一衬底52上并与反射折射光学元件38对准的微型LED 3的第一阵列，还包括第二衬底上被布置为照明透射空间光调制器112的LED 600的第二阵列。

因此，照明设备610可以包括第一多个微型LED 3，该第一多个微型LED 3布置在第一LED阵列中，其中第一多个LED中的LED的是微型LED；第二多个LED 600，该第二多个LED600布置在第二LED阵列中；以及布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件38。

每个反射折射光学元件38可以如图2F所示进行布置。第二多个LED中的至少一些LED 600可以布置在除了定位在多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件38的第一端部处并与该任何反射折射光学元件对准之外的位置中，并且在除了定位在第一端707和多个反射折射光学元件38中的任何反射折射光学元件38的至少一个透明内表面42、44并与该任何反射折射光学元件对准之外的位置中。照明设备还可以包括控制电路106和电极，其被布置成使得它们可操作以独立于第二多个LED 600来驱动第一多个微型LED 3。

第二多个LED中的至少一些LED 600可以是微型LED。有利地，LED可以减少由第一多个LED中的微型LED 3发出的光的遮挡，从而增加光透射效率。

第一多个微型LED 3中的至少一些LED定位在第一LED平面上，该平面可以在支撑衬底52的表面上。第二多个LED中的至少一些LED 600可以定位在与第一LED平面不同的第二LED平面上，例如在透明衬底47上。有利地，第二多个LED中的LED 600的定向光输出分布输出不被反射折射光学元件38修改。另外，与图1A的布置相比，反射折射光学元件的分辨率可以提高。另外，例如与图43的布置相比，第二多个LED的相邻LED 600之间的串扰减少，从而实现改善的分辨率。

与第一多个LED中的相应一个或多个微型LED 3相对应地对准的多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38提供类似于图2A所示的那种的第一定向光输出分布120，第一定向光输出分布是从第一多个LED中的微型LED 3输出的光。另外，第二多个LED中的LED 600可以提供第二定向光输出分布122，第二定向光输出分布是从第二多个LED中的LED 600输出的光。第一定向光输出分布120的立体角181可以小于第二定向光输出分布的立体角183。第二多个LED中的LED 600可以具有基本上为朗伯型的光学输出。因此，第二定向光输出分布也可以基本上是朗伯型的。

多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件38的第二端708布置在光学元件支撑衬底(诸如透明衬底47)的第一侧上，如本公开中的其他地方所示。

如本文其他地方所述，在以窄角模式操作时，第一阵列的微型LED 3可以被照明。在以广角模式操作时，LED 600的第二阵列可以被照明，并且任选地第一阵列的微型LED 3可以被照明。来自LED 600的光线可以基本上被引导远离反射折射光学元件，并因此反射折射光学元件38可能不会修改广角照明。

与包括光导100的实施方案相比，反射折射光学元件的填充密度可以增加。LED600的填充密度可以设置为在被布置在空间光调制器上并由间隙619隔开的漫射器元件311漫射之后，为空间光调制器112提供均匀照明。

有利地，提供了可切换定向照明设备，该照明设备实现了空间光调制器112的照明均匀性的提高并且与其中设置有光导100或光导400的布置相比具有减小的光学元件阵列的复杂性和成本。

图49是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在第一衬底52上的反射折射光学元件38的一维阵列和已对准LED 3的第一阵列，还包括在第二衬底上被布置为照明透射型LCD的多个LED 600。

有利地，可以在横向方向上实现窄定向光输出分布124，同时在正交方向上提供宽定向光输出分布122，如本文中其他地方所述。

图50A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备620的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底52上的反射折射光学元件38的二维阵列和已对准LED 203的第一阵列，还包括在第二衬底47上的像素LED 603的第二阵列；并且图50B是以侧面透视图示出可切换定向显示设备622的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底52上的反射折射光学元件38的一维阵列和已对准LED 203的第一阵列，还包括在第二衬底47上的LED 603的第二阵列。因此，可切换照明设备可以包括控制电路206，该控制电路还包括用图像像素数据驱动第一和第二多个LED 3、600的装置。控制电路还可以包括以与图1D和1E中所示方式类似的方式驱动第一和第二多个LED作为可寻址矩阵的装置。第一多个像素微型LED 203可以被布置为向第一多个图像像素提供第一定向光输出分布120；并且第二多个像素LED中的LED 603可以被布置为向第一多个图像像素提供第二定向光输出分布122。图50A-50B的显示器的操作分别类似于图48-49的背光源610的操作，其中与白色照明相比，像素微型LED203被设置有彩色像素图像数据。有利地，提高了显示效率并且减小了厚度。

图51A是以侧面透视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的稀疏阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列；并且图51B是以顶视图示出可切换定向显示设备的示意图，该可切换定向显示设备包括在第一衬底上的反射折射光学元件的稀疏阵列和已对准LED的第一阵列，还包括在第二衬底上的已对准LED的第二阵列。因此，反射折射光学元件38可以布置在稀疏阵列上，并且LED 600可以布置在反射折射光学元件的第二侧708之间以提供可切换定向照明。有利地，可以提高输出效率。

现在将描述定向照明设备中的LED 600的布置。

图52A是以侧视图示出来自图50B的微型LED 3的第一阵列和已对准反射折射元件38的光传播的示意图，其中LED 600的第二阵列布置在第二衬底47和第一衬底52之间。第二多个LED中的LED 600可以布置在光学元件支撑衬底的第一侧上，该光学元件支撑衬底可以是透明衬底47。

与反射折射光学元件38的输出的区域相比，LED 600的区域可以较小，从而减少了光损失。入射在LED的后面的光线642可以通过布置在LED 600下侧上的反射层601反射。此类光线可在微型LED 3处或LED 203周围的区域中再循环。

有利地，可以减少来自LED 600的损失以用于来自微型LED 3的光。

在形成图52A的设备的一种方法中，可以在衬底47上形成LED 600，并且然后将反射折射光学元件38模制到衬底47上，从而嵌入LED 600。基础层635可以被配置为当设置在表面46的相邻尖端附近时提供LED的嵌入。

图52B是以侧视图示出来自布置在第二衬底47和第一衬底52之间的LED 600的第二阵列的光传播的示意图。光线640朝向透射空间光调制器112发射。可以在衬底47内引导另外的光线644并将其导向可以是背板衬底的第一衬底52。衬底52上的反射元件可以实现光线644的再循环，从而通过混合来自相邻LED3、600的光来提高效率并改善输出的均匀性。

期望增加包括反射折射光学元件的定向背光源的输出的均匀性。

图52C是以侧视图示出从微型LED 3的中心通过反射折射光学元件38的光线的光线轨迹的示意图，其中与微型LED 3的中心对准的光轴1401布置在背板衬底52上。

在示意性实施方案中，垂直于微型LED 3的光线1405发射到空气腔1中，并沿光轴1401导向弯曲折射表面44，并且透射通过输出表面48(其可以在透射衬底47上形成，未显示)。

角度接近微型LED 3的法线方向的光线1403在折射表面44处折射并与光线1405基本平行地输出。

与法线成更大角度的光线1400入射在侧壁42上并被折射以落到外表面46上，在该外表面处，光线通过全内反射反射并与光线1405基本平行地输出。表面46的形状被布置为提供来自像素中心的光的这种准直。

可替代地，表面44、46和壁42的形状可以被布置成为微型LED 3的整个宽度上的位置提供一些像差优化。

现在将描述图52C的反射折射元件的输出的输出空间亮度。

图52D是以侧视图示出来自微型LED 3(例如LED)在空气中的定向光输出分布的示意图。来自这种元件的上表面的发射通常是朗伯型的；即亮度(每单位投影光源面积的每单位立体角的光通量)随视角恒定。因此，光线1402的发光强度(每单位立体角的光通量)随着cosθ下降，其中θ是输出光线1402与光线1405的倾斜角。更一般地，具有该角的光线发光强度分布可以由发光强度轨迹1404表示，其为朗伯发射器的圆。

图53是以侧视图示出透明衬底47的顶侧上的LED 600的布置的示意图。光学元件支撑衬底的第一侧布置在反射折射光学元件38和第二多个LED中的LED 600之间。反射层601可以布置在发光元件600下方，并且可以形成在衬底47上，从而有利地实现用于形成反射层601的更简单且不太复杂的方法。第二多个LED中的LED 600可以布置在光学元件支撑衬底的与第一侧相对的第二侧上，该光学元件支撑衬底可以是透明衬底47。

现在将描述用于图50-51的可切换方向直接显示器的像素LED 603。

图54是以侧视图示出来自布置在第二衬底上的第二LED阵列的光传播的示意图，其中第二衬底在第二LED阵列与第一衬底之间。

与图52B的布置相比，来自像素LED 600的发射直接进入空气，并且可以在广角模式下向观看者提供完整的发射锥1404，从而实现观看窗口122的定向光输出分布。可以通过来自像素LED 600的侧面发射来修改光锥，可以通过反射成角度的光学元件660对其进行重定向。另外的光线670可以通过从601层的反射进行再循环。

有利地，可提供具有高效率、低像素串扰和低厚度的可切换定向直接显示器。

现在将描述用于形成照明设备的方法，该照明设备包括与反射折射光学元件38的阵列对准的LED 3、203的阵列。在此通过引用并入的WO2010038025中公开了用于形成照明设备的另一方法。在此通过引用并入的WO2012052722中进一步公开了用于处理微型LED的阵列的方法。

图55A-H是以侧视图示出用于形成照明设备110的方法的示意图，该照明设备包括多个微型LED 3和多个反射折射光学元件38。可以提供类似的方法来形成定向直接显示设备210、211。第一多个微型LED 3或像素微型LED 203可以包括无机LED，并且第二多个微型LED 103、403、600或像素LED 423、603可以包括无机LED。第一多个LED中的LED可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个LED的至少一对，对于每个相应对，在单片晶圆中至少有一个相应的LED，其沿至少一个方向定位在该对LED之间的单片晶圆中并且不在LED阵列中定位在它们之间。

如图55A所示，可以提供单片发光元件晶圆2。在示意性实施方案中，单片晶圆2可以包括氮化镓层并且可以形成在蓝宝石衬底上。为了本说明书的目的，术语“单片”是指由一件组成；坚固或不间断。

在第一步骤中，使用至少一个掩模4来照亮单片发光元件晶圆2，其中在第一区域65和第二区域67之间具有分离s1。

如图55B所示，在第二个处理步骤中，在单片晶圆2中形成了发光元件3a、3b的阵列每个元件的位置和定向都由掩模4定义。掩模由区域65、67的阵列组成，每个区域定义了LED芯片的至少一层的结构。区域65、67表示第一LED芯片3a和第二LED芯片3b的位置并具有分离s1，如图所示。在通过掩模向晶圆2上曝光期间，在由掩模4的区域65、67限定的位置处形成元件3a、3b。

元件3a、3b的分离s1与掩模区域65、67的分离s1基本相同，并且元件3a、3b的定向与相应掩模区域65、67的定向相同。

分离s1的完整性和元件3a、3b的定向被保留通过后续处理步骤。可以使用多个掩膜以上述方式光刻形成完整的LED结构，每个掩膜的区域均具有分离s1。

可替代地，可以借助于纳米压印光刻或其他已知光刻方法来形成LED芯片。此类过程保留s1分离以及元件3a和3b的定向。

如图55C中的第三步骤所示，通过切割装置82对发光元件3a、3b进行切割和划线或断开，该切割装置可以是例如划线、切割轮、激光束或锯。

元件3a、3b的相应边缘的切割或断开位置的分离s2与分离s1基本相同。

如图55D所示，在第四步骤中，工具90可以具有带分离s3的指状物94、96，并与微型LED 3a、b的阵列对准。指状物94、96的分离s3、定向和放置被设置为与阵列的发光元件的分离s1、定向和位置基本相同。

分离s3可能与分离s1不完全相同，或者指状物94、96的定向和放置可能与发光元件3a、3b的定向和位置不同。有利的是，放宽了对准容差和工具90的制造公差，由此降低了组装方法的成本和复杂性。

在第四步骤的替代方法中，可以布置激光器以照亮微型LED 3a、3b以提供切割和分离。例如，准分子激光器可以通过蓝宝石晶圆照亮微型LED 3a、3b。界面处的氮化镓材料可分解为氮和镓，从而提供分离力并实现元件3a、3b的图案化激光提离。照明区域的分离可以是s1由于在暴露于准分子激光器期间氮化镓层上的剥离力和照明结构的作用力导致微型LED 3a、3b的边缘断开，因此可以进一步消除切割或断开步骤。剥离的元件可以设置在工具90上，该工具可以包括指状物94、96，例如可以将其设置为粘合剂层的区域。

如图55E所示，在第五步骤中，指状物94、96分别附接到元件3a、3b，并且用于从微型LED 3a、3b的阵列中提取元件。

指状物94、96的分离s3和定向可能与元件3a、3b的分离s1和定向不同。然而，在此提取步骤中仍保留了分离s1的完整性以及元件3a、3b的定向。

如图55F-G所示，第六步骤中，可以将元件3a、3b转移到背板衬底52。元件3a、3b的分离与单块衬底2上的s1相同。随后在衬底52上形成3a、3b时，可以保留这种分离。衬底52可包括光导元件200、202，这些元件具有分离s5并且通常与分离s1相同。可以通过例如模制方法来提供元件200、202。

到微型LED 3a、3b的其他电连接和热连接(未显示)可以设置有基本相同的分离s1，并且可以例如可以通过光刻处理或印刷来提供。

在替代方法中，可以在没有第一掩模步骤的情况下将微型LED 3a、3b与单片晶圆2分离。在衬底52上形成后，可在元件3a、3b上形成电极和其他结构。

如图55H所示，在第七步骤中，可以将衬底52对准反折射光学元件38的阵列。反射折射光学元件38的阵列可以是单片的和/或可以在透明衬底47上形成。

当形成反射折射光学元件38的阵列时，可以提供反射折射光学元件38的阵列的相对空间位置。相应光轴401a、401b的分离s4可以与s1相同，以提供来自相邻反射折射光学元件的相同光输出定向光输出分布。可替代地，分离s4可以不同于s1以提供来自相邻元件的不同定向光输出分布，例如以提供照明设备110的输出在照明设备的整个区域上的光瞳。

因此，非单片发光元件阵列和光学元件阵列被对准，使得给定的光学元件与相应发光元件对准。发光元件基本上位于相应光学元件38的输入孔(入射光瞳)中。

反射折射光学元件38各自具有输出孔径(出射光瞳)(用宽度p表示)，并且其面积大于输入孔径中相应发光元件的面积，使得与非单片发光元件阵列的发光元件3a对准的相应反射折射光学元件38会将发光元件3a发射的光引导到比发光元件3a发射该光所处的立体角更小的立体角。

以保持选择性移除的发光元件的相对空间位置的方式从单片阵列选择性移除多个发光元件的步骤还可以包括以保持选择性移除的发光元件的相对定向的方式从单片阵列移除多个发光元件。

有利地，这实现了定向光输出分布的阵列，这些定向光输出分布在微型LED 3a、3b和相应对准的反射折射光学元件38的阵列上基本相同。对于具有相同尺寸和定向的发光元件3a、3b的相应元件，光输出定向光输出分布的照明轮廓可以基本相同。

有利地，可以为微型LED 3a、3b或像素微型LED 203和相应的对准反射折射光学元件38的阵列中的每个元件提供本文中其他地方描述的均匀性校正实施方案。因此，可以提供统一的照明设备用于背光源、直接显示或环境照明应用。

现在将进一步描述形成照明设备的方法。

图56A-D是以透视图示出用于形成照明设备110的方法的示意图，该照明设备包括多个微型LED 3和多个反射折射光学元件38。

如图56A所示，单片晶圆2可以是例如氮化镓，并且可以形成在例如可为蓝宝石的衬底4上。

如图56B所示，可以从单片晶圆2提取微型LED 3的非单片阵列以提供具有分离s1的微型LED 3a、3b。

如图56C所示，微型LED 3a、3b可以与电极和其他光学元件(未显示)对准地布置在衬底52上。

如图56D所示，衬底52可以与多个反射折射光学元件38对准并具有分离s4以提供照明设备，使得分离s4可以与分离s1相同。有利的是，可以使用少量的提取步骤在大区域上形成大量的元件，同时保持与相应的光学元件阵列的对准。

图57A-B是以侧视图示出照明设备的减薄的示意图。图57A示出了可以在图56A-D所示的步骤中提供衬底52、47的厚度t1、t2以实现热稳定性和机械稳定性。在操作中，可能期望提供减小的厚度t3、t4，这可以例如通过在图55I和56D的对准步骤之后对照明设备进行化学机械抛光来实现。这种方法在WO2012052723中进一步公开并通过引用并入本文。例如，可以在制造期间提供厚度为0.4mm的衬底并将其减薄到小于0.1mm的厚度，以提供低装置厚度和柔性。

有利地，可以在实现薄装置轮廓和柔性应用的同时提高制造良率。

期望从大面积的对准光学元件提供多个照明设备。

图58是以透视图示出照明设备的分割的示意图。图58示出可以从大面积衬底52、47中分割出具有期望定向光输出分布特性的照明设备，例如以提供不同尺寸的元件600、602或不同形状的元件604。可以在每个元件的边缘处提供其他装置密封线601，以提供光学元件的气密密封，并在使用期间减少灰尘和其他材料进入光学元件。

有利地，可以减小制造成本和复杂性，并且可以增加使用期间的可靠性。

图59是以侧视图示出现有技术的LED装置31作为微型LED 3的示例的示意图。在本说明书中，术语LED用于包括半导体LED，包括无机LED、有机LED和聚合物LED。

诸如蓝宝石的衬底4在其表面上形成n型氮化镓(GaN)层6层，通常具有诸如晶格匹配层或释放层的中间功能层5。在层6上形成多量子阱层8和p型GaN层10。有源区1因此包括层6,8,10并且可能是层5的一部分，并且还可以包括电极触点和其他功能元件作为LED装置31结构的一部分。

衬底4和功能层5可以在LED装置31的提取过程中移除，例如通过如本文其他地方所述的图案化的激光剥离来移除。在剥离的LED装置31的情况下，可以将电极7替换地布置在6层上

当通过电极7、9在LED装置31上施加电压时，发射12会在8层内发生。

接近垂直于外表面14透射的光线16、18被透射。然而，由于LED装置31内的折射率较高，因此光线20、22、24被内部反射。光线20、22可以通过装置的边缘26离开。此类装置对穿过层6,8,10的光具有相对较高的内部吸收系数，从而导致效率损失和装置发热增加。随着装置尺寸的增加，许多内部反射光线20、22、24的光路长度增加，并且因此可以从装置逸出的光线比例降低，从而导致较大装置的外部效率随着尺寸的增加而降低。为了改善外部效率，将表面粗糙或光子带隙结构添加到顶表面14。这样适当能够将原本在装置层中被引导的光从顶表面14提取出来。在薄膜倒装芯片装置中，进一步移除衬底4以改善外部光耦接。在这种情况下，将对表面28进行修改。另外，可以在切割之前通过蚀刻工艺来形成装置的边缘以提供改善的刻面质量。

可能期望提高微型LED 3的输出耦接效率。

图60是以侧视图示出将LED装置31安装到衬底52上以形成基本上朗伯光输出微型LED 3的示意图。进行电连接(未显示)并且在白色发射装置中添加了磷光体或彩色转换层34。另外，可以添加半球形折射结构36，例如模制硅树脂材料，以提高装置的正向光学耦接效率。可替代地，在薄膜倒装芯片结构中，可以使用其中已经移除衬底4的装置1。结构36特别用于通过提供折射率匹配功能将发光元件输出的光耦接到空气中，从而减少发光元件表面以及结构表面处的菲涅耳损耗和全内反射损耗。结构36无法提供任何实质的光导功能，使得如果发光元件具有朗伯输出，则半球形结构的输出也将实质上为朗伯型。

在本实施方案中，微型LED 3可以与多个折射辅助光学器件36(诸如半球形结构)对准并具有分离s7(通常类似于分离s4)，以便有利地实现从发光元件3a、3b到空气中的有效提取。

现在将与优选地为制造本实施方案而提供的阵列提取方法相比较，描述用于现有技术的宏观光学元件的拾取和放置对准方法。

图61是以侧视图示出已知宏观反射折射光导光学单元件40的示意图；并给图62是以侧视图示出具有已安装的装置30的宏观光导元件38的布置的示意图。

表面708可包括多个功能特征。例如，可以结合透镜表面50、漫射器、双凸透镜阵列或其他光学功能。这种元件通过反射和折射光学结构(反射折射)来操作。另外，一些表面可以被金属化，使得借助于全内反射和/或金属化反射来进行反射。典型的结构可以是复合抛物线收集器(CPC)或折射反射内部反射(RXI)元件。

元件38的输入孔39具有宽度或直径115，并且输出孔40具有宽度或直径117。具体地说，输出孔40的面积大于输入孔39的面积，使得宽度或直径117大于宽度或直径115。因此，与在输入孔39处的输入光束的立体角相比，光学元件38减少了来自输出孔40的输出光束的立体角。在操作中，光输入孔由相应对准的发光元件的尺寸定义，并且因此(有效)光输入孔小于物理输入孔115。

通过与本实施方案进行比较，宏观反射折射光学元件可以与诸如1mm×1mm LED的发光元件一起使用，处于具有输出孔尺寸117的相对较大规模，并且典型的是厚度大于10mm。此类宏观光学元件可以通过金刚石旋转单个元件的形式来掌握，然后将其复制以产生单独的宏观光学元件。然后，通常使用拾取和放置工艺将这些中的每个对准至少一个LED。此类技术不使用在阵列中的光学元件或发光元件的输入孔和输出孔的放置的光刻级精度。此类标准技术对于在本说明书中描述的显微阵列定向照明系统中使用而言不够精确。

装置30与输入孔39和光轴401居中对准。光线54穿过表面48、50并平行于光轴52引导。光线56穿过表面42并在表面46处经历全内反射。或者，表面46可以被涂有反射材料。在装置30从元件38的光轴401侧向移位的情况下，光线54、56将不再与光轴401平行，并且包括光线54、56的最终输出光束的中心可能会与相对于原始期望输出方向54、56角度移位。另外，可以修改角度输出的最终亮度结构。在此类宏观光学元件的阵列中，期望发光元件与光学元件的光学中心准确地对准，使得所有输出光束是平行的。如果不是这种情况，则与单个装置的立体角相比，阵列的最终输出立体角将增加。

如可以在本公开中使用的，词语“基本上”和“近似”提供了容差，该容差在工业上因其对应的词语和/或项目之间的相对性而被接受。这种行业接受的公差范围是从零到百分之十，并且对应于但不限于长度、位置、角度等。项目之间的这种相关性在约百分之零到百分之十之间的范围内。

本公开的实施例可用于多种光学系统中。实施方案可以包括例如各种照明、背光源、光学部件、显示器、平板电脑和智能电话或与其一起工作。实际上，本公开的各方面可以几乎跟与显示器、环境照明、光学装置、光学系统有关的任何设备一起使用，或者可以包含任何类型的光学系统的任何设备一起使用。因此，本公开的实施方案可以用于许多消费者专业或工业环境中使用的显示器、环境照明、光学系统和/或装置。

应当理解，本公开在应用或创造方面不限于所示的具体布置的细节，因为本公开能够有其他实施方案。此外，可以不同的组合和布置来阐述本公开的各个方面，以限定实施例在其本身权利内的独特性。另外，本公开中使用的术语是为了说明的目的，而非限制。

虽然已经描述了根据本文所公开的原理的实施方案，但应理解，这些实施方案仅以举例的方式示出，而并非进行限制。因此，本公开的广度和范围不应受到任何所述示例性实施方案的限制，而应该仅根据本公开发布的任何权利要求及其等同物来限定。此外，所描述的实施方案中提供了上述优点和特征结构，但不应将发布的这些权利要求的应用限于实现任何或全部上述优点的方法和结构。

本文的各节标题均包括在内以提供组织提示。这些标题不应限制或表征可产生于本公开的任何权利要求中所列出的实施方案。举具体示例，虽然标题是指“技术领域”，但权利要求书不应受到在该标题下选择用于描述该领域的语言的限制。另外，“背景技术”中对技术的描述不应被理解为承认某些技术对本公开中的任何实施方案而言是现有技术。“发明内容”也并非要被视为是对发布的权利要求书中的实施方案的表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应用于辩称在本公开中仅有一个新颖点。可根据产生于本公开的多项权利要求的限制来阐述多个实施方案，并且此类权利要求限定由其保护的实施方案及其等同物。在所有情况下，权利要求的范围应根据本公开内容而根据其自身的优点来考虑，并且不应受本公开内容中使用的标题的约束。

Claims (81)

1.一种照明设备，包括：

第一多个LED，所述第一多个LED被布置在第一LED阵列中，其中所述第一多个LED中的所述LED是微型LED；

第二多个LED，所述第二多个LED被布置在第二LED阵列中；

第一光学系统，所述第一光学系统与所述第一多个LED中的所述LED对准以提供第一定向光输出分布，所述第一定向光输出分布是从所述第一多个LED中的所述LED输出的光；

其中所述第一光学系统包括被布置在第一光学元件阵列中的第一多个光学元件，所述第一多个光学元件中的每个光学元件与所述第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准，所述第一多个LED中的每个LED仅与所述第一光学系统的所述光学元件中的相应一个光学元件对准；和

第二光学系统，所述第二光学系统与所述第二多个LED中的所述LED对准以提供第二定向光输出分布，所述第二定向光输出分布是从所述第二多个LED中的所述LED输出的光；

其中所述第一定向光输出分布具有小于所述第二定向光输出分布的立体角的立体角；所述照明设备还包括控制电路和电极，所述控制电路和电极被布置成使得它们可操作以独立于所述第二多个LED来驱动所述第一多个LED。

2.根据权利要求1所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在所述第一多个LED中的相邻LED之间。

3.根据权利要求1或2所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在所述第一光学元件阵列的相邻光学元件之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED是微型LED。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个光学元件中的至少一些光学元件是反射折射光学元件。

6.根据权利要求4或5所述的照明设备，其中所述反射折射光学元件在通过其光轴的至少一个反射折射横截面平面中包括：

第一外表面和第二外表面，所述第二外表面面向所述第一外表面；

其中所述第一外表面和所述第二外表面包括弯曲表面；

其中所述第一外表面和所述第二外表面从所述反射折射光学元件的第一端延伸到所述反射折射光学元件的第二端，所述反射折射光学元件的所述第二端面向所述反射折射元件的所述第一端；

其中在所述反射折射光学元件的所述第一端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离小于在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离；和至少一个透明内表面，所述至少一个透明内表面被布置在所述第一端和所述第二端之间以及所述第一外表面和所述第二外表面之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED中的所述LED是宽度或直径小于300微米、优选小于200微米、并更优选小于100微米的微型LED。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的照明设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离小于3mm，优选小于1.5mm，并更优选小于0.75mm。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的照明设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，所述第一端与在所述第一端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的外角小于所述第一端与在所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的外角。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的照明设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，所述透明内表面中的至少一个透明内表面具有正光功率。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的照明设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，所述透明内表面中的至少一个透明内表面具有零光功率。

12.根据权利要求5至11中任一项所述的照明设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，所述第一多个LED中的所述LED的一些光输出在其于所述第一外表面或所述第二外表面处被反射并被引导到所述第一定向光输出分布中之前，由所述至少一个透明内表面透射；并且

所述第一多个LED中的所述LED的一些光输出由所述至少一个透明内表面透射，并且被引导到所述第一定向光输出分布中，而在所述第一外表面或所述第二外表面处没有反射。

13.根据权利要求6至12中任一项所述的照明设备，其中在所述第一多个LED中的所述LED与所述至少一个透明内表面之间提供折射光学元件。

14.根据权利要求13所述的照明设备，其中所述折射光学元件是半球形透镜。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED包括无机LED。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED包括无机LED。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED和所述第二多个LED中的至少一者还包括波长转换层。

18.根据权利要求17所述的照明设备，其中所述波长转换层包括磷光体材料或量子点材料。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED和所述第二多个LED各自被布置为向所述第一光学元件和所述第二光学元件提供基本相同的白点的光。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的所述LED的总光输出面积大于所述第一多个LED中的所述LED的总光输出面积。

21.根据权利要求1至20中任一项所述的照明设备，其中

所述第一多个LED中的所述LED来自以阵列布置的单片晶圆，其中其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；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LED中的至少一对LED，对于每个相应对，在所述单片晶圆中有至少一个相应的LED，所述至少一个相应的LED沿所述至少一个方向被定位在所述一对LED之间的所述单片晶圆中并且不在所述LED阵列中被定位在所述一对LED之间。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的照明设备，其中所述第二光学系统包括一个或多个光导。

23.根据权利要求22所述的照明设备，其中所述一个或多个光导分别与所述第二多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准。

24.根据权利要求23所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的每个LED仅与所述光导中的相应一个光导对准。

25.根据权利要求22至24中任一项所述的照明设备，其中所述光导中的至少一个光导在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中包括：

第一光导外表面和第二光导外表面，所述第二光导外表面面向所述第一光导外表面；

其中所述第一光导外表面和所述第二光导外表面从所述光导的第一端延伸到所述光导的第二端，所述光导的所述第二端面向所述光导的所述第一端；透明光导输入表面，所述透明光导输入表面在所述光导的所述第一端处。

26.根据权利要求25所述的照明设备，其中在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，所述透明输入表面是线性的。

27.根据权利要求25或26所述的照明设备，其中在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，所述光导的所述第一外表面和所述第二外表面是线性的。

28.根据权利要求1至27中任一项所述的照明设备，其中所述多个光导中的所述光导的所述第一端散布在所述多个反射折射光学元件中的所述反射折射光学元件的所述第一端中。

29.根据权利要求1至28中任一项所述的照明设备，其中所述多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件在垂直于所述反射折射横截面平面的方向上延伸。

30.根据权利要求29所述的照明设备，其中所述多个光导中的至少一些光导在垂直于所述反射折射横截面平面的所述方向上延伸。

31.根据权利要求22至30中任一项所述的照明设备，其中所述第一光导外表面和所述第二光导外表面是透明的。

32.根据权利要求22至31中任一项所述的照明设备，其中在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，在所述光导的所述第一端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离与在所述光导的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离相同；

其中所述第二定向光输出分布的所述立体角与所述第二多个LED中的所述LED的所述定向光输出分布的所述立体角基本相同。

33.根据权利要求22至32中任一项所述的照明设备，其中在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，在所述光导的所述第一端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的所述距离小于在所述光导的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的所述距离；

其中所述第二定向光输出分布的所述立体角小于所述第二多个LED中的所述LED的所述定向光输出分布的所述立体角。

34.根据权利要求22至33中任一项所述的照明设备，其中所述多个光导中的所述光导的所述第二端散布在所述多个反射折射光学元件中的所述反射折射光学元件的所述第二端中。

35.根据权利要求30至34中任一项所述的照明设备，其中所述多个光导中的至少一些光导在与所述反射折射光学元件延伸的方向正交的方向上延伸。

36.根据权利要求1至35中任一项所述的照明设备，其中所述多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的所述第二端被布置在光学元件支撑衬底的第一侧上，并且所述多个光导中的至少一个光导的所述第二端被布置在所述光学元件支撑衬底的相同侧上。

37.根据权利要求22至36中任一项所述的照明设备，其中在通过其光轴的至少一个光导横截面平面中，所述第一光导外表面成形为与相应相邻反射折射光学元件的所述第一外表面的形状基本相同；并且

所述第二光导外表面成形为与相应相邻反射折射光学元件的所述第二外表面的形状基本相同；

其中所述第一光导外表面和所述第二光导外表面之间的距离在所述光导的所述第一端处最大。

38.根据权利要求37所述的照明设备，其中所述第一光导外表面与所述相邻反射折射光学元件的所述第一外表面对准并具有间隙；

并且所述第二光导外表面与所述相邻反射折射光学元件的所述第二外表面对准并具有间隙。

39.根据权利要求37或38所述的照明设备，其中所述第二定向光输出分布的至少一部分由来自所述第二多个LED中的LED的输出光提供，所述输出光透射通过所述第一光导外表面并由所述反射折射光学元件的外表面透射。

40.根据权利要求37至39中任一项所述的照明设备，其中所述第二定向光输出分布的至少一部分由来自所述第二多个LED中的LED的输出光提供，所述输出光在所述第二光导外表面处通过全内反射来反射。

41.根据权利要求1至40中任一项所述的照明设备，其中所述多个反射折射光学元件中的所述反射折射光学元件包括对于所述第一多个LED中的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。

42.根据权利要求41所述的照明设备，其中所述多个反射折射光学元件中的所述反射折射光学元件包括透明聚合物材料。

43.根据权利要求42所述的照明设备，其中所述多个光导中的所述光导还包括光散射材料。

44.根据权利要求42或43所述的照明设备，其中所述多个光导中的所述光导还包括波长转换材料。

45.根据权利要求44所述的照明设备，其中所述波长转换材料包括磷光体或量子点材料。

46.根据权利要求1至45中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED和所述第二多个LED中的所述LED被布置在公共衬底上。

47.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其中所述控制电路在每个行和列电极交叉点处包括数据值存储装置以用于提供至少两个数据值，其中所述至少两个数据值中的一个数据值被供应给所述第一多个LED中的至少一个LED，并且所述至少两个数据值中的另一个数据值被供应给所述第二多个LED中的至少一个LED。

48.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备，其中所述控制电路在每个行和列电极交叉点处包括电极，所述电极被连接到所述第一多个LED中的LED并且被连接到所述第二多个LED中的LED；并且

还包括被连接到所述相应第一多个LED和第二多个LED的第一控制电极和第二控制电极；其中所述控制电极被连接到多个电极交叉点。

49.一种用于显示设备的背光源，包括根据权利要求1至48中任一项所述的照明设备。

50.一种显示设备，包括空间光调制器和根据权利要求49所述的背光源设备。

51.根据权利要求1至50中任一项所述的显示设备，其中所述控制系统包括背光源控制器，所述背光源控制器被布置为驱动所述背光源设备的第一区域中的所述第一多个LED和所述第二多个LED中的至少一者，其光输出高于在所述背光源设备的第二区域中的光输出。

52.根据权利要求1至51中任一项所述的显示设备，其中所述背光源控制系统被布置为与由显示器控制器提供给透射空间光调制器的图像数据相对应地驱动所述第一多个LED和所述第二多个LED中的至少一者的区域。

53.一种直接显示设备，包括根据权利要求1至52中任一项所述的可切换照明设备，其中所述控制电路还包括用图像像素数据驱动所述第一多个LED和所述第二多个LED的装置。

54.根据权利要求53所述的直接显示设备，其中所述第一多个LED中的所述LED被布置为向第一多个图像像素提供所述第一定向光输出分布；

其中所述第二多个LED中的所述LED被布置为向所述第一多个图像像素提供所述第二定向光输出分布。

55.根据权利要求53或54所述的直接显示设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离小于0.5mm，优选小于0.25mm，并更优选小于0.1mm。

56.根据权利要求53至55中任一项所述的直接显示设备，其中所述第二多个LED包括有机LED。

57.根据权利要求53至56中任一项所述的直接显示设备，其中所述第一多个LED和所述第二多个LED被布置为向所述第一光学系统和所述第二光学系统提供至少三个不同光谱带的光。

58.根据权利要求53至57中任一项所述的直接显示设备，其中所述第一多个LED中的所述LED是宽度或直径小于100微米、优选小于50微米、并更优选小于25微米的微型LED。

59.一种照明设备，包括：

第一多个LED，所述第一多个LED被布置在第一LED阵列中，其中所述第一多个LED中的所述LED是微型LED；

第二多个LED，所述第二多个LED被布置在第二LED阵列中；和

多个反射折射光学元件，所述多个反射折射光学元件被布置在反射折射光学元件阵列中，其中所述多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件在通过其光轴的至少一个横截面平面中包括：

第一外表面和第二外表面，所述第二外表面面向所述第一外表面；

其中所述第一外表面和所述第二外表面从所述反射折射光学元件的第一端延伸到所述反射折射光学元件的第二端，所述反射折射光学元件的所述第二端面向所述反射折射元件的所述第一端；

其中在所述反射折射光学元件的所述第一端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离小于在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的距离；和至少一个透明内表面，所述至少一个透明内表面被布置在所述第一端和所述第二端之间以及所述第一外表面和所述第二外表面之间；

其中所述多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件与所述第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准，所述第一多个LED中的每个LED仅与所述第一多个反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准，所述多个反射折射元件中的反射折射光学元件与所述反射折射光学元件的包括所述第一多个LED中的相应一个或多个LED的所述第一多个LED中的相应一个或多个LED之间的相对应地对准被定位在所述反射折射光学元件的所述第一端处并与所述反射折射光学元件对准，或者被定位在所述反射折射光学元件的所述第一端与所述反射折射光学元件的所述至少一个透明内表面之间并与所述反射折射光学元件对准；并且

所述第二多个LED中的至少一些LED被布置在除了被定位在所述多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的所述第一端部处并与所述任何反射折射光学元件对准之外的位置中，并且在除了被定位在所述第一端和所述多个反射折射光学元件中的任何反射折射光学元件的所述至少一个透明内表面之间并与所述任何反射折射光学元件对准之外的位置中；

所述照明设备还包括控制电路和电极，所述控制电路和电极被布置成使得它们可操作以独立于所述第二多个LED来驱动所述第一多个LED。

60.根据权利要求59所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED是微型LED。

61.根据权利要求59至60中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED中的所述LED是宽度或直径小于300微米、优选小于200微米、并更优选小于100微米的微型LED。

62.根据权利要求59至61中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在所述第一多个LED中的相邻LED之间。

63.根据权利要求59至62中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在所述反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件之间。

64.根据权利要求59至63中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在所述反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件的相应第一端之间。

65.根据权利要求59至64中任一项所述的照明设备，还包括一个或多个光导。

66.根据权利要求65所述的照明设备，其中所述一个或多个光导分别与所述第二多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准。

67.根据权利要求65或66所述的照明设备，其中所述一个或多个光导中的至少一些光导被定位在所述反射折射光学元件阵列的相邻反射折射光学元件的相应第二端之间。

68.根据权利要求59至67中任一项所述的照明设备，其中在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的所述距离小于6mm。

69.根据权利要求59至68中任一项所述的照明设备，其中所述微型LED的从一侧到另一侧的横截面在所述反射折射光学元件的所述第一端内对准。

70.根据权利要求59至69中任一项所述的照明设备，其中所述第一多个LED中的至少一些LED被定位在第一LED平面上，并且所述第二多个LED中的至少一些LED被定位在与所述第一LED平面不同的第二LED平面上。

71.根据权利要求59至70中任一项所述的照明设备，

其中与所述第一多个LED中的相应一个或多个LED相对应地对准的所述多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件提供第一定向光输出分布，所述第一定向光输出分布是从所述第一多个LED中的所述LED输出的光；

所述第二多个LED中的所述LED提供第二定向光输出分布，所述第二定向光输出分布是从所述第二多个LED中的所述LED输出的光；

其中所述第一定向光输出分布具有小于所述第二定向光输出分布的立体角的立体角。

72.根据权利要求59至71中任一项所述的照明设备，其中所述多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的所述第二端被布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。

73.根据权利要求71或72所述的照明设备，其中所述光学元件支撑衬底的所述第一侧被布置在所述反射折射光学元件和所述第二多个LED中的所述LED之间。

74.根据权利要求71至73中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的所述LED被布置在所述光学元件支撑衬底的与所述第一侧相对的第二侧上。

75.根据权利要求71至74中任一项所述的照明设备，其中所述第二多个LED中的所述LED被布置在所述光学元件支撑衬底的所述第一侧上。

76.一种用于显示设备的背光源，包括根据权利要求59至75中任一项所述的照明设备。

77.一种显示设备，包括空间光调制器和根据权利要求76所述的背光源设备。

78.一种直接显示设备，包括根据权利要求59至75中任一项所述的可切换照明设备，其中所述控制电路还包括用图像像素数据驱动所述第一多个LED和所述第二多个LED作为至少一个可寻址矩阵的装置。

79.根据权利要求78所述的直接显示设备，其中所述第一多个LED中的所述LED被布置为向第一多个图像像素提供所述第一定向光输出分布；

其中所述第二多个LED中的所述LED被布置为向所述第一多个图像像素提供所述第二定向光输出分布。

80.根据权利要求78或79所述的直接显示设备，其中所述第一多个LED中的所述LED是宽度或直径小于100微米、优选小于50微米、并更优选小于25微米的微型LED。

81.根据权利要求79至80中任一项所述的直接显示设备，其中在所述至少一个反射折射横截面平面中，在所述反射折射光学元件的所述第二端处的所述第一外表面和所述第二外表面之间的所述距离小于0.5mm，优选小于0.25mm，并更优选小于0.1mm。

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