CN111989606B - 照明装置 - Google Patents

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Abstract

定向照明装置包括可以是有机LED(OLED)或无机LED的微型LED阵列，以及排列的固态折反射微型光学器件阵列，其布置成为微型LED提供水蒸气和氧气的阻挡并降低对热和压力变化的敏感度。固体折反射微型光学器件阵列的界面的形状被布置为使用已知的透明材料为来自对准的微型LED的光提供全内反射。薄而有效的照明装置可以用于环境照明、显示器背光或直接显示中的准直照明。

Description

照明装置
技术领域
本公开涉及一种装置，该装置包括与布置为固体层的多个光学元件对准的多个可寻址发光元件。这样的装置可用于可切换的环境照明、可切换的室内或室外电子显示屏或可切换至LCD显示器的背光。
背景技术
具有宽定向光输出分布的显示器通常用于从许多不同的视角获得舒适的显示器观看效果。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中心线基本上不固定的显示器而言，这类显示器是期望的。
通过比较，具有窄定向光输出分布的显示器通常用于以减小的视角为用户的眼睛提供图像数据。这种显示器通常用于实现私密性显示(其中抑制窥探者可看到的图像)、夜间显示(其中抑制环境照明，例如，减少挡风玻璃的反射或减少杂散的杂散光)、低功率观看(其中不向远离用户眼睛的区域提供照明)和户外观看(其中在不增加或少增加背光功率的情况下，在狭窄的观看位置范围内提供高亮度)。
在已知的方法中，可以通过添加微百叶窗膜来实现窄定向光输出分布。这样的膜可以永久性地固定在显示器上，例如用于ATM自动取款机以进行私密性观看或用于夜间操作的汽车显示器。可替代地，这些膜可以由用户手动地放置在常规的宽定向光输出分布显示器的表面上以供私密性显示使用，并且可以被移除和存储以恢复正常的广角观看。微型百叶窗膜效率低下，因为它们通过在不需要的显示角度方向吸收来自背光的光来工作。作为构造的副作用，它们还显著衰减了所需方向的光。
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，背光包括导光板(LGP)，该导光板从布置在LGP的输入边缘处的诸如LED(发光二极管)之类的光源接收光。当光通过LGP传播时，LGP输出面上的结构化图案会在其面上提供限定的光泄漏。
其他已知的背光在LCD后面以矩阵结合了发光二极管(LED)阵列。来自LED的光被强烈散射，以产生大致均匀的背光照明。来自背光的光的定向光输出分布或定向光输出分布可通过在背光组件中添加固定层(例如棱镜膜和漫射器)来更改。在制造时，通过设计来固定背光以及因此显示器角度光定向光输出分布。
用于环境照明的照明系统，例如汽车前灯，建筑、商业或家用照明，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，或者可以通过例如扩散光学器件以实现广域照明效果来实现宽定向光输出分布。
使用半导体生长到单片晶圆上而形成的无机LED表现出高水平的发光效率(lm/W)和高发光率(lm/mm2)。与光转换层配合，LED可以提供可接受的CIE显色指数(CRI)或颜色空间覆盖率。
可以在任意大的基板上形成有机发光二极管(OLED)，但是发光度可能比无机LED所实现的发光度低1000倍以上。
在本说明书中，LED是指(i)直接从单片晶圆(即半导体元件)中提取的未封装的无机LED裸片芯片，这与已附接到引线框架以提供电极并且可以组装入塑料包装以方便后续组装的封装LED不同；或(ii)通过包括喷墨印刷、接触印刷、通过精细金属掩模或垂直平面源的蒸发的图案化沉积方法形成并且可以包括量子点材料的OLED元件。
封装的LED通常具有大于1mm的尺寸，并且更典型地具有大于3mm的尺寸，并且可以通过包括拾取和放置方法的常规印刷电路板组装技术来组装。由这种组装机放置的部件的精度通常可以为约正负30微米。这样的尺寸和公差防止了其应用于非常高分辨率的显示器。
可以通过阵列提取方法形成微型LED，其中将多个LED平行地从单片晶圆中取出，并且可以以小于5微米的位置公差进行排列。微型LED还可以或替代地包括OLED元件。
白光LED光源可以由独立的光谱带组成，例如红色、绿色、蓝色和黄色，每个光谱带都由独立的LED元件创建。这样的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，可以产生彩色的照明斑块。如果源被均质化以使它们的间隔小于视觉分辨率极限，则将是期望的。
发明内容
定向LED元件可以使用反射光学器件(包括全内反射光学器件)或更典型地折反射光学器件类型的反射器，例如在US6547423中描述的。折反射元件同时使用折射和反射，这可能是全内反射或从金属化表面的反射。
期望提供一种定向显示器，其包括折反射光学元件阵列和微型LED阵列，该阵列能够抵抗气体诸如氧气和水蒸气进入、热变化和外部压力变化，同时提供适合于包括定向显示例如私密性显示的定向应用的照明质量。
根据本公开的第一方面，提供了一种照明装置，包括：多个LED，所述多个LED布置成LED阵列，其中所述多个LED中的LED是微型LED；与多个LED中的LED对准的折反射光学结构，以提供定向光输出分布，所述定向光输出分布为从多个LED中的LED输出的光；其中所述折反射光学结构包括布置成折反射光学元件阵列的多个折反射光学元件，所述多个折反射光学元件中的每个折反射光学元件对应于多个LED中的相应一个或多个LED而对准，所述多个LED中的每个LED仅与所述折反射光学结构的折反射光学元件中的相应一个对准；其中所述多个折反射光学元件中的每一个在通过其光轴的至少一个折反射横截面中包括：第一横截面外界面和面向第一横截面外界面的第二横截面外界面；其中第一和第二横截面外界面各自包括弯曲的界面，所述弯曲的界面包括第一和第二外界面区域；其中第一和第二横截面外界面从折反射光学元件的第一端延伸到折反射光学元件的第二端，折反射光学元件的第二端面对折反射元件的第一端；其中在折反射光学元件的第一端处的第一和第二横截面外界面之间的距离小于在折反射光学元件的第二端处的第一和第二横截面外界面之间的距离；和至少一个透明内界面，其布置在第一和第二端之间以及第一和第二外界面之间；其中所述折反射光学结构包括：(i)具有第一折射率的第一透明非气态材料，其布置在第一和第二横截面外界面与所述至少一个透明内界面之间以及所述折反射光学元件的每个的第一和第二端之间；(ii)其第二折射率低于所述第一折射率的第二透明非气态材料，其布置在相应的对准的LED与所述折反射光学元件的每个的透明内界面之间；(iii)其第三折射率低于第一折射率的第三透明非气态材料，其布置在第一折反射光学元件的第一横截面外界面与多个折反射光学元件中相邻的折反射光学元件的第二横截面外界面之间和在所述折反射光学元件的每个的第一端与第二端之间。
第一和第二横截面外界面中的每个的相对于界面法线的光轴的倾斜角可以随着从第一端到第二端的距离而连续地变化。相对于距光轴的距离的倾斜角的导数可以在第一和第二横截面外界面的相应的第一和第二外界面区域之间的边界处具有不连续性。
有利地，可以提供可提供有限范围的照明方向的定向照明装置。可以实现私密性显示、节电、减少夜间操作的杂散光以及高效的高亮度操作。可以进一步减少氧气和湿气的进入，并延长LED的使用寿命。由于热膨胀差异而导致的均匀性降低被最小化。可以减少由于环境压力变化引起的不对准。此外，可以提供低成本的材料。
从第一外界面和第二外界面的第一端起的高度可以在折反射光学元件的第一端和第二端之间单调增加；并且第一和第二横截面外界面中的每一个相对于界面法线的光轴的倾斜角可以在每个折反射光学元件的第一端和第二端之间单调增加。有利地，可以提供均匀角光束轮廓。
来自相应对准的LED的主要光输出光线可以被提供在相应折反射光学元件的第一端和光轴处，并且可以透射通过内界面，并且可以入射在横截面外界面上，每个主要光线在弯曲的横截面外界面处具有入射角；其中每个主要光线的入射角与第一和第二外界面处的临界角之间的差值相对于距光轴的距离的导数在第一和第二外界面区域之间的边界处具有不连续性。有利地，可以提供可提供有限范围的照明方向的定向照明装置。
每个主要光线的入射角与临界角之间的差在第一外界面区域上可以是恒定的，并且每个主要光线的入射角与临界角之间的差可以在第二外界面区域上单调增加。有利地，来自折反射光学元件的光学轮廓的角宽度可以被最小化。
第一外界面区域布置成在轴外方向上反射主要光输出光线，并且第二外界面区域布置成在轴上方向上反射主要光输出光线。有利地，来自折反射光学元件的光学轮廓的角宽度可以被最小化。对窥探者的私密性显现可以减少，并且杂散光可以最小化。
主要光线可以在每个折反射光学元件的第一端和第二端之间的横截面外界面处通过全内反射来反射。有利地，与使用涂覆的光学元件的布置相比，可以优化效率。可以提高进一步的制造率并降低成本。
在第一外界面区域中，反射的主要光线可以在与光轴方向不同的方向上通过第二端出射，并且在第二外界面区域中，反射的主要光线可以与光轴基本平行的通过第二端出射。所述第一外界面区域可以布置在所述第一端与所述第二外界面区域之间，并且所述第二外界面区域布置在所述第二端与所述第一外界面区域之间。有利地，来自折反射光学元件的光学轮廓的角宽度可以被最小化。
可以将第三透明材料布置为填充第一折反射光学元件的第一横截面外界面与多个折反射光学元件中的相邻折反射光学元件的第二横截面外界面之间以及相应折反射光学元件的第一端和第二端之间的区域。第三透明材料可以形成为在多个折反射光学元件的第一和第二横截面外界面上的层。可以布置具有不同于第三折射率的第四折射率的填充材料，以填充形成为在第一和第二横截面外界面上的层的第三透明材料之间的区域。有利地，可以减小非常低折射率材料的体积并降低成本；并且可以使来自折反射光学元件的光学轮廓的角宽度最小。
气体和/或水蒸气阻挡层形成在多个LED与照明装置的外表面之间。有利地，可以减少氧气和湿气的进入并增加LED寿命。
微型LED可以是有机LED。与背光LCD相比，有利地减少了装置厚度和复杂性。
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方向得以保留；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，对于每个相应的对，在所述单片晶圆中有至少一个相应的LED在所述单片晶圆中在至少一个方向上位于所述一对LED之间，并且在LED阵列中不位于它们之间。有利地，可以提供非常高亮度的照明装置。
多个LED中的LED是宽度或直径可以小于200微米，优选地小于100微米并且更优选地小于50微米的微型LED。有利地，可以提供非常高分辨率的显示器。
在至少一个折反射横截面平面中，在折反射光学元件的第二端处的第一和第二外界面之间的距离可以小于600微米，优选小于400微米，并且更优选小于200微米。有利地，可以提供非常小的厚度。
第一折射率可以大于1.49，优选大于1.55，最优选大于1.58，第三折射率可以小于1.42，优选小于1.40，最优选小于1.35。有利地，已知的和低成本的材料可以用于形成折反射光学元件。
在至少一个折反射横截面平面中，至少一个透明内界面可以具有正光功率。有利地，光可以被有效地从LED并且因此从照明装置引导。
根据本公开的第二方面，直接显示装置包括第一方面的可切换照明装置和控制电路，该控制电路包括利用图像像素数据驱动多个LED的装置。有利地，可以提供薄的定向显示器，其抵抗热、氧气、水蒸气和环境压力变化。此外，这样的显示器可以方便地形成在柔性和弯曲的基板上。
根据本公开的第三方面，一种背光显示装置包括第一方面的照明装置和空间光调制器。有利地，可以提供薄的定向LED，其抵抗热、氧气、水蒸气和环境压力变化。此外，这样的显示器可以方便地形成在柔性和弯曲的基板上。
这样的装置可以用于家庭或专业照明以及用于显示。
本公开的这些和其它特征和优点将在阅读了本公开的全部内容后对本领域的普通技术人员变得显而易见。
附图说明
附图中通过举例来示出实施例，其中相似附图标记指示类似部分。
图1A是示意图，以俯视图示出定向显示装置，其包括固体折反射光学元件阵列和LED阵列；
图1B是以俯视图示出图1A的分离的部件的示意图；
图1C是示出图1A的定向显示器的照明以及观察者和窥探者的示意图；
图1D是以俯视图示出有机LED和对准的固态折反射光学元件的布置的细节的示意图；
图1E-G是以俯视图示出固体折反射光学元件的布置的细节的示意图；
图2A是以侧视图示出来自光源的主要光线在包括低折射率材料涂层的固体折反射光学元件的光轴处的传播的示意图；
图2B是以侧视图示出来自光源的主要光线在横截面外界面之间的包括低折射率材料的一对固态折反射光学元件之一的光轴处的传播的示意图；
图2C是以俯视图示出圆形固体折反射光学元件的示意图；
图2D是以俯视图示出六边形固体折反射光学元件的示意图；
图2E是以俯视图示出线形固体折反射光学元件的示意图；
图3A-C是示意性曲线图，示出了分别针对第一、第二和第三折射率组合，横截面外界面处的入射角与主要光线的临界角之间的差异相对于距光轴的距离的曲线；
图4A-C是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，折反射光学元件的横截面外界面的位置相对于距光轴的距离的曲线；
图5A-C是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，折反射光学元件的横截面外界面倾斜角相对于距光轴的距离的曲线；
图6A-C是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，输出亮度与照明输出角的曲线；
图6D是以俯视图示出了私密性显示器的操作的示意图，该私密性显示器包括包含第一和第二横截面外界面区域的固态折反射光学元件；
图7A是以侧视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该固体折反射光学元件设置有图3A、4A和5A所示类型的具有两个横截面外界面区域的界面；
图7B是以侧视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该固体折反射光学元件设置有图3B、4B和5B所示类型的具有两个横截面外界面区域的界面；
图7C是以侧视图示出主要光线在折反射光学元件中在空气中的传播的示意图，该折反射光学元件设置有图3C、4C和5C所示形状的界面，以在空气中使用并且没有两个外界面区域；
图7D是以侧视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该折反射光学元件设置有图3C、4C和5C所示形状的界面，以在空气中使用并且没有两个外界面区域；
图7E是以侧视图示出在具有图3A、4A和5A所示类型的具有两个横截面外界面区域的界面的固态折反射光学元件中，轴上光线朝着光源的传播的示意图；
图7F是以侧视图示出在具有图3B、4B和5B所示类型的具有两个横截面外界面区域的界面的固态折反射光学元件中，轴上光线朝着光源的传播的示意图；
图7G是以侧视图示出在空气中工作并且没有两个外界面区域的图3C、4C和5C所示类型的折反射光学元件中轴上光线朝着光源的传播的示意图；
图8是以侧视图示出减小的气压对非固态折反射光学元件阵列的对准的影响的示意图；
图9A是示意性曲线图，示出了分别针对固定差异的第一折射率组合，主要光线的入射角和临界角之间的差异相对于距光轴的距离的曲线；
图9B是以俯视图示出主要光线在设置有图9A所示的界面轮廓的固体折反射光学元件中的传播的示意图；
图9C是示出图9A的布置的输出亮度与照明角度的曲线关系的示意图；
图10是以俯视图示出了包括固体折反射光学元件并且布置成在广角操作模式下在窄和宽定向分布之间切换的可切换显示装置的示意图；
图11A是示意图，以正透视图示出显示装置，其包括固体折反射光学元件的延伸阵列；
图11B-C是以俯视图示出用于图1A的可切换定向显示器的多个LED的示意图；
图11D是以正透视图示出显示装置的示意图，该显示装置包括固体折反射光学元件的二维阵列和布置为背光以照明液晶显示器的可切换LED阵列；
图12A-D是以侧视图示出形成光导阵列的方法的示意图；
图13是示意图，以透视图示出具有用于输入到光学系统的光锥的第一区域和第一立体角的光源；
图14是示意图，以透视图示出在来自图13的光源的光已经被光学系统引导之后的用于输出光的区域和立体角；
图15是示意图，以透视图示出微型LED区域和立体角以及折反射光学元件的输出区域和立体角；
图16是示意图，以侧视图示出在至少一个横截面平面中折反射光学元件的输入宽度和输出宽度；
图17是示意图，以透视图示出由提供背景光和中心点光束的折射光学元件的照明；
图18是示意图，以透视图示出了由提供外部光晕和中心点光束的反射光学元件的照明；
图19是示意图，以透视图示出了由提供中心点光束的折反射光学元件的照明；
图20A-D是示意图，以透视图示出了形成包括LED阵列和折反射光学元件阵列的照明装置的方法；和
图20E是根据本公开以透视图示出照明装置的单个化的示意图。
具体实施方式
期望提供一种用于显示器、显示器背光或用于家用或专业环境照明的照明装置，其在有限的立体角上提供光输出方向性，即非朗伯照明。显示应用中的这种照明装置可以提供隐私功能，其中离轴窥探者可能无法解析图像内容，而轴上观看者可能具有传统的显示外观。此外，这种定向显示器可以提供减少的功耗，因为不需要功率来照亮离轴观察者。此外，这样的显示器可以在夜间操作中例如在汽车应用中提供减少的杂散光。此外，与常规亮度水平下的广角显示器相比，这种显示器可以提供非常高的亮度水平而不增加功耗。
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。这样的照明装置可以提供照明环境的窄角度照明，例如点照明。
在本公开中，显示器背光是指被布置为照明诸如液晶显示器之类的透射空间光调制器的照明装置。背光可以在空间光调制器上提供均匀的亮度，并且像素数据由空间光调制器提供。显示器背光的微型LED还可例如在高动态范围操作中被提供一些像素信息。
直接显示器是指这样的照明装置，其中微型LED被布置为提供像素图像信息，并且在照明装置和观察者之间没有布置空间光调制器。
期望提供一种定向显示器，与在空气中提供折射和反射表面的折反射光学元件相比，其实现发光元件的封装以提供增强的环境坚固性。
现在将描述包括固体折反射结构的照明装置的结构。
图1A是示意图，以俯视图示出定向显示装置100，其包括固体折反射光学元件阵列和LED 3阵列；图1B是以俯视图示出图1A的分离的部件的示意图。可以假定未进一步详细讨论的图1B的布置的特征对应于图1A中具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
照明装置100包括多个LED 3，多个LED 3布置成LED阵列，其中多个LED中的LED是微型LED。
折反射光学结构91包括布置成折反射光学元件阵列的多个折反射光学元件38a、38b，多个折反射光学元件38中的每个折反射光学元件38对应于多个LED中的相应的一个或多个LED 3，多个LED 3中的每个LED 3仅与折反射光学结构91的折反射光学元件38中的相应一个对准。
多个折反射光学元件38中的每一个在通过其光轴711的至少一个折反射横截面中包括第一横截面外界面46a和面向第一横截面外界面46a的第二横截面外界面46b；其中第一和第二横截面外界面46a、46b每个都包括弯曲界面，该弯曲界面包括第一和第二外界面区域52、54。外界面46a、46b位于不同的固体材料32、34之间。
第一和第二横截面外界面46a、46b从折反射光学元件38的第一端707延伸到折反射光学元件38的第二端708，折反射光学元件的第二端708面对折反射元件38的第一端707。
在折反射光学元件38的第一端处的第一和第二横截面外界面46a、46b之间的距离712小于在折反射光学元件38的的第二端处的第一和第二横截面外界面46a、46b之间的距离714。如下所述，减小的锥角可以用于输出定向分布120。
至少一个透明内界面42、44a，44b布置在第一端712与第二端714之间以及第一外界面46a与第二外界面46b之间。
折反射光学结构91包括：(i)具有第一折射率的第一透明非气态材料32，其布置在第一和第二横截面外界面46a、46b与至少一个透明内界面42、44a、44b之间以及在折反射光学元件38的每个的第一和第二端712、714之间；(ii)其第二折射率低于第一折射率的第二透明非气态材料30，其布置在相应的对准的LED 3和每个折反射光学元件38的透明内界面42、44a、44b之间；(iii)其第三折射率低于第一折射率的第三透明非气态材料34，其布置在多个折反射光学元件38中的第一折反射光学元件38a的第一横截面外界面46b和相邻折反射光学元件38b的第二横截面外界面46a之间以及在每个折反射光学元件38的第一和第二端707、708之间。
为了本公开的目的，材料30、32、34、28是固体，其也可以包括凝胶。
第一折射率可以大于1.49，优选大于1.55，最优选大于1.58。第三折射率可以小于1.42，优选小于1.40，最优选小于1.35，如将在下面针对说明性实施例进一步详细描述的。示例材料可以包括但不限于用于第一材料32的聚合物，例如丙烯酸酯；以及用于第二和第三材料30、34的氟化材料和/或硅氧烷材料。
替代地，一些材料30、32、34、28可以是液体，例如材料28可以包括液体材料。合适的低折射率液体材料包括硅氧烷液体。
如图1A和1B所示，第三透明材料34可以在多个折反射光学元件38的第一和第二横截面外界面46a、46b上形成为一层，并且可以不填充界面46a、46b之间的区域。
可以进一步布置具有不同于第三折射率的第四折射率的填充材料28，以填充形成为在第一和第二横截面外界面46a、46b上的层的第三透明材料34之间的区域。低折射率材料34，例如使用氟化材料的那些材料，可能是昂贵的，此外，可以通过薄层实现在界面46a、46b内提供全内反射的光学操作。有利地，与材料34填充外界面46a、46b之间的区域的布置相比，可以以降低的成本实现期望的光学操作。
这种材料28可以是透明的，从而可以透射来自布置在第一多个LED 3之间的第二多个LED 5的光以有利地提供广角操作模式，如下所述。替代地，材料28可以是吸收性的以实现显示装置的相邻像素之间的杂散光的减少。
期望提供一种具有低厚度和高分辨率的定向显示装置。在说明性实施例中，在折反射光学元件38的第二端处的第一和第二外界面46a之间的距离714可以小于600微米，优选小于400微米，并且更优选小于200微米。多个LED中的LED 3可以是宽度或直径小于200微米，优选地小于100微米并且更优选地小于50微米的微型LED。
如图1A所示，透明内界面42可以具有正的光功率，以使光线300、302从与光轴711相交的微型LED 3的位置沿基本上轴上的方向指向。如以下将描述的，内界面44a、44b可以是线性的，并由光线304、306照射。
现在将描述与图1A的照明装置的结构有关的其他元件。照明装置100可以由背板基板93和包括折反射光学结构91和折反射基板95的折反射阵列92提供。
背板基板93可以包括支撑基板102、阻挡层104、LED支撑基板106、LED层108和粘合层110。折反射基板95可以包括阻挡层112、支撑层114、抗反射层116，抗反射层可以包括诸如延迟器和偏振器之类的部件，被布置为减少来自显示器和光学元件的环境光的反射。可以提供外部光漫射层118以实现定向输出的增加的均匀性。
基板93、95中使用的材料可以是柔性的，以有利地实现柔性的显示器。
气体和/或水蒸气阻挡层104、112可以形成在多个LED 3与照明装置100的外表面101、103之间。阻挡层104、112可以布置成减少水蒸气202和氧气200的进入，这种进入可以降低LED 3的光输出和寿命，特别是在其中LED 3包括有机LED材料的实施例中。
在作为直接显示器操作时，可以提供控制电路106，其包括用图像像素数据驱动多个LED 3的装置。
图1C是以俯视图示出显示器用户129和离轴窥探者131的图1A的定向显示器100的照明的示意图。期望地，当显示器在私密性操作模式下操作时，窥探者131不能在显示器100上看到图像。
如图1A-B所示，折反射光学结构91与多个LED 3中的LED 3对准，以提供如图1C所示的定向光输出分布120，定向光输出分布120为从多个LED中的LED 3输出的光。
如图1C所示，图1A所示的光线300、302、304可以指向照明区域120的中心，使得观察者129可以观察照明的显示器。类似地，离轴光线306从LED3的边缘指向照明区域120。
然而，高角度光线309的亮度实质上较低，使得离轴窥探者131无法看到显示器100。有利地，显示器100可以用作私密性显示器或用户129的省电显示器。
返回图1A，可以在折反射光学结构91的第一端的外侧设置可以是微型LED的另外的LED 5，以实现切换到更宽的操作视角，这将在下面描述。在操作中，这样的LED 5在光线309的方向上提供亮度，使得离轴用户可以观察显示器100上的图像。LED 5的控制可以有利地提供可切换的私密性显示器100。
图1D是以俯视图示出有机LED和对准的固态折反射光学元件38的布置的细节的示意图。阻挡层104可以包括两层104a、104b，例如有机材料和无机材料，其被布置成使水蒸气202和氧气200穿过基板102的进入最小化。具有电极7的晶体管4可以用于提供发光像素3的寻址控制，并且层108提供OLED发射器LED 3的封装和平坦化。粘合剂110被布置为提供对折反射光学元件38的附接，使得光线304被引导到折反射光学元件38中。阻挡层112还可以包括不同材料的多层，其可以是有机材料和无机材料的组合。
有利地，本实施例借助于固体折反射光学元件38实现OLED发射器的封装，该固体折反射光学元件38具有被布置为实现窥探者的串扰水平低的定向照明的界面46a、46b，如下所述。
图1E-G是以俯视图示出固体折反射光学元件38的进一步结构的布置的细节的示意图。在这些实施例中，将第三透明材料34布置为填充第一折反射光学元件的第一横截面外界面46a与多个折反射光学元件38中的相邻折反射光学元件38b的第二横截面外界面46b之间以及相应折反射光学元件38的第一端707和第二端708之间。可以假定未进一步详细讨论的图1E-G的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
图1E示出了可以在基板114上提供阻挡层112。方便地，可以在制造折反射光学结构91之前提供基板。
图1F示出了在制造之后可以在固体折反射光学结构91上形成另外的阻挡层111。有利地，可以设置多个阻挡层，例如双阻挡层，以进一步减少水蒸气202和氧气200的进入。
图1G示出了另一实施例，其中在添加低折射率材料30、34之前，在折反射光学结构91的材料28上形成阻挡层115。有利地，可以改善阻挡层可能期望的材料特性和对高温处理的抵抗力，例如无机材料蒸发，并且在提供增加的对水蒸气202和氧气200的抵抗力的同时实现增加的产率。阻挡层111、112也可以被设置为对其他气体或蒸气的阻挡。
现在将通过考虑主要光线的传播来描述固态折反射光学元件38的横截面外界面46的设计，以实现低轴外杂散光的定向输出。
图2A是以侧视图示出来自包括LED 3的光源的主要光线在固体折反射光学元件38的光轴711处的传播的示意图。可以假定未进一步详细讨论的图2A的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
来自相应的对准的LED 3的主要光输出光线304a、304b、306a、306b被提供在相应的折反射光学元件38的第一端707和光轴711处，透射通过内界面44a并入射到在横截面外界面46a中，每个主要光线304a、304b、306a、306b在弯曲的横截面外界面46a处相对于表面法线154具有入射角164，该入射角相对于光轴711的方向具有倾斜角174。主要光线在每个折反射光学元件38的第一端和第二端707、708之间的横截面外界面46a、46b处通过全内反射进行反射。
所述第一外界面区域52布置在所述第一端707与所述第二外界面区域54之间，并且所述第二外界面区域54布置在所述第二端708与所述第一外界面区域52之间。外界面区域52和54是外界面46的区域。为了说明的目的，区域52、54在包括光轴711的平面上分别具有宽度52x、54x；区域52、54在包括光轴711的平面上分别具有高度52z、54z。外界面46的区域52、54在边界50处相遇，边界50具有距光轴的横向位置50x和高度，该高度可以与区域52的高度52z相同。
在第一外界面区域52中，从LED 3在光轴711处反射的主要光线306a、306b以与光轴方向711不同的方向通过第二端708输出，并且在第二外界面区域54中被反射的主要光线304a、304b通过基本上平行于光轴711的第二端708输出。
在第一外界面区域52中，表面法线倾斜角174被布置为在基本不平行于光轴711方向的具有角度192的离轴方向反射主要光输出光线306a、306b。因此，光线306a、306b借助于全内反射而被反射，即，入射角大于临界角，如由横截面外界面46a处的每个入射位置的锥体150示出的。
第二外界面区域可以被布置为反射与主要光线304a、304b同轴或接近同轴的主要光输出光线方向，该方向平行于光轴711方向。光线304a、304b可以进一步被布置为与轴上方向相比具有小的变化，例如在轴上方向的10度内。有利地，可以在用于图1C所示的观察者129的显示器100上实现舒适的观看自由度和显示均匀性。
作为比较，光线306a、306b中的至少一些可以具有角度192，该角度192大于已知的和低成本的材料的10度，以提供第一、第二和第三折射率。
因此，入射角164和主要光线306a、306b的临界角之间的角差156a、156b在第一外界面区域52中与在第二外界面区域54中相比具有不同的关系，这将在下面进一步描述。
现在将描述折反射光学元件38的进一步布置。
图2B是以侧视图示出来自光源3的主要光线在横截面外界面之间的包括低折射率材料34的一对固态折反射光学元件38A、38B之一的光轴711处的传播的示意图。与图2A的布置相比，在外界面46上的低折射率材料34的涂层被相邻折反射光学元件38的外界面46之间的低折射率材料的连续区域代替。有利地，可以降低制造复杂度。
图2C是以俯视图示出圆形折反射光学元件38的示意图。第一外界面区域52布置在边界50的内侧，并且第二外界面区域54布置在边界50和折反射光学元件38的外边缘之间。
图2D是以俯视图示出六边形折反射光学元件38的示意图。这样的元件可用于增加折反射光学元件阵列的输出的均匀性。第二外界面区域54布置在边界50和折反射光学元件38的外边缘之间。
图2E是以俯视图示出线形折反射光学元件38的示意图。与图2C和2D相比，可以提供细长的光输出。有利地，降低了加工的复杂性，并且放宽了对准公差，降低了成本。
如表1所示，现在将提供用于外界面区域52、54中的外界面46a、46b的形状的说明性实施例，其中组合1和2是本公开的说明性实施例。
Figure BDA0002658463520000151
表1.折反射材料的说明性实施例
现在将描述折反射光学元件38的外界面46的形状。
图3A-3B是示意曲线图，示出了分别针对第一、第二和第三折射率组合，在第一和第二横截面外界面46a、46b处的入射角164与主要光线306a、306b、304a、304b的临界角之间的差156a、156b、166a、166b相对于在横向方向(x轴)上距折反射光学元件38的光轴711的距离172的曲线180。
可以假定未进一步详细讨论的图3A-B的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
图3A和3B示出了每个主要光线306a、306b的入射角164与第一和第二外界面46a、46b处的临界角之间的差156、166的曲线180相对于横向位置(即，在x或y平面中的位置)的(数学)导数在第一和第二外界面区域52、54之间的边界50处具有不连续性。
再次考虑图2A中的光线，在图3A和3B的实施例中，每个主要光线306a、306b的入射角164与临界角之间的差156a、156b在第一外界面区域52上是恒定的，并且每个主要光线304a、304b的入射角164和临界角之间的差166a、166b在第二外界面区域54上单调增加。因此，在操作中，主要光线306a、306b入射在第一外界面区域42中的横截面外界面46a上，使得入射角之间的差基本相同。在说明性示例中，入射角与临界角之差为+2度，即大于临界角。可以设置该差值以提供对折反射光学元件的加工和复制误差的容限，以及为来自LED 3边缘的光线以及通常来自LED 3中心的主要光线提供全内反射。
因此，对于固态折反射元件38使用已知且低成本的材料，光线304a在外界面46a处被全内反射所反射，并以不平行于光轴711的角度192a指向输出端708，但是提供输出方向192a、192b的扇形，其取决于来自LED 3的相应主要光线的初始方向。
当入射角164和临界角之间的差为2度时，在外界面区域52、54之间的边界50的位置处，光线平行于光轴711定向。在界面50上方的位置处，调整表面法线的倾斜角174以实现平行于光轴711的输出主要光线304a、304b的对准。
有利地，大多数主要光线通过全内反射在平行于光轴的方向，从而为从外表面46a、46b反射的光线提供了高水平的准直性。在固体折反射光学元件38中，入射在区域52上的光线被定向为其方向接近但不等同于对于已知的低成本材料的准直方向。
现在将描述外界面46的其他形状。
图3A进一步示出了外界面的替代形状，其包括在第一外界面区域52中的差156和在第二外界面区域54中的差161的曲线181，在两个区域之间具有边界51。图4A图示了描述外界面46形状的曲线183，图5A图示了描述倾斜角度174随着位置172的变化的曲线185。
与曲线180相比，第一外界面区域52中的曲线181不是恒定的，而是随着距光轴711的距离而增加。曲线180的实施例为来自LED 3的中心的主要光线提供全内反射，但是来自LED 3的一个边缘的一些光线可以以小于临界角的角度入射在表面上。这样的光线部分地透射通过横截面外界面46并且有助于杂散光并降低的私密性性能。
有利地，第一横截面外界面区域52中的曲线181可以为有限尺寸的LED3提供改善的照明输出方向性。
另外的曲线181、183、185被示为在第二横截面外界面区域54中对于边界51之外的位置具有不同的曲线。与曲线180的布置相比，可以提供减少的准直。有利地，可以提供随着视角的显示亮度的更平滑的滚降，从而增加了私密性显示应用中的显示均匀性，如下所述。
现在将描述外部反射表面的形状。
图4A-4B是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，折反射光学元件38的横截面外界面46的高度相对于距光轴711的距离172的曲线182。图4A和4B示出了从第一和第二外界面46a、46b的第一端707开始的高度170在折反射光学元件38的第一和第二端707、708之间单调增加。换句话说，表面的形状可以单调增加而没有扭结或不连续。可以假定未进一步详细讨论的图4A-B的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
现在将描述图4A-4B的表面曲线的表面倾斜174的曲线。
图5A-5B是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，折反射光学元件38的横截面外界面倾斜174相对于距光轴711的距离172的曲线184。图5A和5B示出了相对于第一和第二横截面外界面46a、46b中的每一个的界面法线154的光轴711的倾斜角174在每个折反射光学元件38的第一和第二端707、708之间单调增加。
在边界50处，由于不连续而引起的倾斜变化率的变化如图3A-3B所示。因此，相对于距光轴711的距离172的表面倾斜角174的导数在第一和第二横截面外界面46a、46b的相应的第一和第二外界面区域52、54之间的边界50处具有不连续性。
可以实现图4A-4B所示的光滑表面。有利地，可以通过已知的加工和复制方法以高精度提供这种表面。此外，与不连续的表面高度轮廓相比，这种表面可以提供低水平的杂散光。
可以假定未进一步详细讨论的图5A-B的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
为了与本实施例进行比较，现在将描述用于在空气中操作的准直折反射元件38的各个曲线。
图3C、4C和5C通过与本发明的固态折反射光学元件38进行比较而示出了空气中的折反射光学元件38的结构，也就是说，空气被布置在相邻的折反射光学元件38a、38b的外界面之间。
如表1所示，折反射光学元件38在空气中的临界角小于45度，使得在x方向上与LED基板平行的光线可以通过在与光轴711平行的方向上的内部反射以45度的倾斜表面引导。因此，在第一和第二外界面区域之间没有设置边界50以实现准直的光。可以假定未进一步详细讨论的图3C、4C和5C的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
现在将说明来自折反射光学元件38的具有表1中所述和图3A-3C、4A-C和5A-C所示的特性的亮度的模拟角度分布120。
图6A-6C是示意性曲线图，示出了分别对于第一、第二和第三折射率组合，输出亮度190随视角192的曲线186。
如图6C所示，可以提供小于10度的最大角度输出方向的窄亮度分布。
图6A示意性地示出了图3A、4A和5A的曲线180、182、184的输出亮度190随视角192的曲线186，还示意性地示出了对于曲线181、183、185的输出亮度190随视角192的曲线187。因此，曲线187具有接近光轴711的较宽的角度曲线。有利地，在私密性操作模式下，可以改善显示亮度随视角的滚降和显示均匀性。曲线187可以进一步具有减少的杂散光损失，并且因此减少了对于大型LED 3的图像串扰。
通过比较，本实施例对于折射率的第一组合具有高于30度的低水平亮度，而对于折射率的第二组合具有高于40度的低水平亮度。这种照明不像空气中的元件那样准直，但是如下所述，为定向显示操作提供了合适的照明水平，同时实现了固态折反射光学元件的好处。
图6B进一步示出了区域189，该区域由折射内界面42引导的光线照明。与图6A相比，随着第一和第二折射率的差减小，则区域189中的相对光量增加。在区域179中，来自第一外界面区域52中的外界面46的光线提供照明。
现在将进一步描述私密性显示中的本实施例的操作。
图6D是以俯视图示出了私密性显示器的操作的示意图，该私密性显示器包括包含第一和第二横截面外界面区域的固态折反射光学元件。入射在边界50和折反射光学元件38的第二端708之间的第二界面区域54上的光线304沿轴上方向指向定向分布120中位于正面的观察者129。通过比较，光线306沿离轴方向指向定向分布120的边缘。窥探者131位于显示器100提供的方向性分布的外面，因此不能感知显示器100上具有高亮度水平的图像。
返回图6B，显示器的私密性性能可以由区域179中的光量决定。有利地，本实施例在固态折反射光学元件中的区域179中实现了降低的亮度。可以假定未进一步详细讨论的图6D的布置的特征对应于上面讨论的具有相同附图标记的特征，包括该特征中的任何潜在变化。
有利地，固体折反射光学元件38可以被布置成为离轴窥探者提供具有低图像可见度的私密性显示操作。
现在将使用前向光线追踪进一步描述横截面外界面46a、46b的操作。
图7A是以俯视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该固体折反射光学元件设置有图3A、4A和5A所示类型的具有两个横截面外界面区域52、54的界面。示出了曲线180、182、184的示例输出主要光线304、306。光线304通过外界面区域54平行于光轴711，而来自外界面区域52的光线306则指向偏轴方向。可以假定未进一步详细讨论的图7A的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
外界面46的至少一些部分提供了光的准直，而其他部分提供了与光轴711成小角度的光线。有利地，使靠近窥探者131位置的角度的亮度最小化。
图7B是以俯视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该固体折反射光学元件设置有图3B、4B和5B所示类型的具有两个横截面外界面区域52、54和表1所示材料折射率的界面。可以假定未进一步详细讨论的图7B的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
输出曲线181、183、185的主要光线304、306。在第一横截面外界面区域52中，主要光线306以比图7A中更高的远场角192被引导。如图6B所示，提供了比图6A和7A更宽的视场，但是可以有利地提供一种成本更低的材料系统，同时保持一定程度的私密性性能。为了补偿视场角的增加，可以减小LED 3的尺寸以获得相似的输出分布120的锥角。有利地，可以提供期望的私密性性能。
通过与本实施例相比较，现在将描述设计用于在空中工作的折反射光学元件中使用的外界面的操作。
图7C是以侧视图示出主要光线在折反射光学元件中在空气中的传播的示意图，该折反射光学元件设置有图3C、4C和5C所示形状的界面，以在空气中使用并且没有两个外界面区域。由于材料32和空气之间的高折射率台阶而产生的所有输出光线304可以平行于光轴711设置。如图6C所示，这种设计可以实现狭窄的分布120，其尺寸由LED 3的尺寸确定。
通过与本实施例进行比较，现在将描述图3C、4C、5C和7C的外界面46在固体折反射光学元件中使用时的操作。
图7D是以俯视图示出主要光线在固体折反射光学元件中的传播的示意图，该折反射光学元件设置有图3C、4C和5C所示形状的界面(其被设计用于在空气中使用)并且没有两个外界面区域。通过与本实施例进行比较，杂散光线303可以透射穿过横截面外界面46。这种杂散光会不期望地提供图像串扰和高角度照明。图3C、4C和5C的曲线因此实现了不期望的照明输出。
现在将使用反向光线跟踪来进一步描述横截面外界面46a、46b的操作，反向光线跟踪是从无限远处的光源向LED 3位置进行光线跟踪。
图7E是以侧视图示出在具有图3A、4A和5A所示类型的具有两个横截面外界面区域52、54的固态折反射光学元件38中，轴上光线朝着光源的传播的示意图；图7F是以侧视图示出在具有图3B、4B和5B所示类型的具有两个横截面外界面区域52、54的固态折反射光学元件38中，轴上光线朝着光源的传播的示意图。
通过与本实施例进行比较，图7G是示出在空气中工作并且没有两个外界面区域52、54的折反射光学元件中轴上光线朝着光源的传播的示意图。可以假定未进一步详细讨论的图7E-G的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
界面的操作可以进一步通过检查用于穿过折反射光学元件38的第二端708的轴上光源(未显示)的光线195的路径来表示。这样的反向光线轨迹是用于说明目的，并且没有完全描述来自LED 3的光的传播，例如，在由LED 3引导的光中不存在杂散光线191。
图7G示出了空气中的元件能够使所有主要光线的光准直，并且未提供第一和第二横截面外界面区域以实现用于私密性显示操作的合适照明。
通过比较，在图7E-F的实施例中，第二外界面区域54中的光线被全内反射朝向LED3反射。然而，入射在第一外界面区域52上的光线具有小于临界角的入射角，并且透射通过外界面，因此没有到达LED 3的位置。来自区域52的光线不通过全内反射沿基本上平行于光轴的准直方向被引导，而是如上所述地沿离轴方向被引导。#
这样的透射光线说明固态折反射光学元件38不提供主要光线的轴上准直。
现在将进一步描述具有横截面外部区域52、54的固体折反射光学元件38的优点。
如图6A和6B所示，远场亮度曲线可以提供来自固体折反射光学元件38和相应的对准的LED 3的照明结构，从而可以向私密显示用户129提供高水平的图像亮度，而通常处于大于45度的角度的离轴窥探者131可能具有最小的图像可见度。
如图1D-1G所示，固态折反射光学元件38可用于提供阻挡层以防止水蒸气202和氧气200进入并有利地改善LED，特别是有机LED的性能。作为比较，可以在相应的横截面外界面之间的区域中为非固态折反射光学元件提供无氧气体或真空；然而，在设备的使用寿命期间保持无氧气体或真空可能是昂贵且不切实际的。
因此，可以为固体折反射光学元件38提供横截面外表面46形状，其在实现私密性显示的同时防止水分或氧气进入阵列的LED。
现在将描述大气压变化和热变化对于非固态折反射光学元件的影响。
图8是以侧视图示出减小的气压对非固态折反射光学元件阵列的对准的影响的示意图。在大气压减小的环境中，尤其是在基板是柔性的情况下，照明装置内的气压可提供来自分离光学组件的压力差的力197。换句话说，当大气压力降低时，例如在海拔高度时，存在于照明装置内的气体经受膨胀力197。类似地，当显示器置于高压力下时，例如当置于水下或在水下操作时，气体可能被压缩，从而使显示器变形。包括结合到本公开的LED背板的固体折反射光学元件38的照明装置100有利地最小化了来自大气压变化的未对准。此外，这种装置有利地使得柔性基板能够用于弯曲和可弯曲的显示器。
例如由于背板93上的LED的加热以及对各个基板92、93的材料选择导致的热变化可能在背板92和光学基板92之间产生不同的膨胀力199a、199b，从而导致两个基板之间的未对准并降低光输出质量。本实施例的结合的固体折反射光学元件38有利地最小化了由于热效应引起的不均匀性。
例如由于用户按压显示器(例如触摸屏功能)而向显示器施加的压力也可能不期望地使光学元件在空气间隔的光学组件中移动。有利地，本实施例具有对施加压力的降低的敏感性。
可以假定未进一步详细讨论的图8的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
通过与本实施例进行比较，将描述固体折反射光学元件，其中入射角和临界角之间的差在整个横截面外表面上是恒定的。
图9A是示意性曲线图，示出了分别针对固定差异的第一折射率组合，主要光线的入射角和临界角之间的差异相对于距光轴的距离的变化；图9B是以俯视图示出主要光线在设置有图9A所示的界面轮廓的固体折反射光学元件中的传播的示意图；图9C是示出了图9A布置的输出亮度随视角的变化的示意图。表1的第一折射率组合用于说明性目的。
因此，没有提供差156的导数相对于距光轴的距离的不连续性，即所有主要光线307以与临界角偏离2度的角度入射到横截面外表面46上。与图6A和6B的实施例相比，对于接近45度的观察者，来自区域179中的外界面46的亮度显著增加，因此这种私密性显示将具有有限的私密性性能。
可以假定未进一步详细讨论的图9A-C的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
现在将进一步描述具有固体折反射光学元件38的照明装置的其他结构和操作。
图10是以俯视图示出了包括固体折反射光学元件并且布置成在广角操作模式下在窄和宽定向分布之间切换的可切换显示装置100的示意图，如GB1705364.6中所述并且在此通过引用以其全文并入本文。
与图1A相比，在背板93上在第一折反射光学元件38a的第二横截面外界面46b与第二相邻折反射光学元件38b的第一横截面外界面46a之间的区域中还布置有LED 5。在私密性操作模式期间，仅驱动LED 3，而在广角操作模式中，LED 3和LED 5发光以提供光线305，该光线305通过折反射光学元件38的外界面46传输到方向分布122，以便显示器100上的图像可以被相邻的观察者131看到。
可以假定未进一步详细讨论的图10的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
图11A是示意图，以正透视图示出显示装置，其包括固体折反射光学元件的延伸阵列。与在x轴方向上的方向分布相比，这种阵列可以用于提供具有与y轴正交的角度曲线增大的方向分布。这样的显示器可以有利地具有宽的绕x轴方向旋转的观看自由度。此外，可以更方便地提供线性折反射光学元件的加工和复制，从而增加了制造成品率并降低了制造成本。
图11B-11C是以俯视图示出与对准的折反射光学元件38的界面42的位置有关的用于图10的可切换定向显示器的多个LED的示意图。背板93可以包括微型LED 3的第一阵列和LED 5的第二阵列。在图11B中，LED 5被提供为微型LED 3的每列之间的单个LED。布置这样的元件以基本上填充微型LED 3的列之间的区域。图11C示出了另一实施例，其中LED 5被布置为像素的交错列。有利地，可以实现对输出照明的增加的控制。
图11D是以侧视透视图示出定向显示装置的示意图，该定向显示装置包括具有固体折反射光学元件38的二维阵列的背光98，该固体折反射光学元件包括被布置为照明空间光调制器300的第一和第二横截面外界面区域。LED 3分别与折反射光学元件38对准。有利地，可以制造用于诸如液晶显示器的显示器的柔性背光，其具有对水蒸气和氧气进入、热膨胀和环境压力变化的高耐受性。
可以假定未进一步详细讨论的图11A-D的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
图12A-D是以侧视图示出形成多个光导的方法的示意图；
在如图12A所示的第一步中，通过模制、UV浇铸、压印或其他已知的复制方法，从形成带有具有适当形状的表面442、444、446的工具400(其包括在表面446的第一和第二外部区域之间的边界450)，在具有第一折射率的第一透明材料32中的基板114上形成多个折反射表面，以形成固体折反射光学元件38的界面，如本文其他地方所述。
在如图12B所示的第二步骤中，通过用具有第二折射率的透明材料30填充来形成内界面42、44a、44b，例如通过喷墨液滴的施加。
在如图12C所示的第三步骤中，例如通过蒸发、浸涂或其他已知的涂覆方法来涂覆具有材料34的外部涂覆材料。替代地，材料34可以被布置为填充材料32之间的区域。
在如图12D所示的第四步骤中，可以提供最终的平坦化层28以填充材料34之间的区域。
可以假定未进一步详细讨论的图12A-D的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
现在将进一步描述折反射光学元件的结构和操作。
图13是在透视图中示出了光源700的示意图，其具有第一面积Ain和光锥702的第一立体角Ωin，以输入到未指定的光学结构(未示出)中；以及图14是示意图，在透视图中示出了在来自图13的光源的光线已经被光学结构引导之后的用于输出光的输出界面704面积Aout和光锥703立体角Ωout。保持亮度或薄脆性意味着
Aout*Ωout<＝Ain*Ωin 等式1
图15是示意图，在透视图中示出了折反射光学元件38，其在第一端707具有微型LED 3，输入面积Ain和输入立体角Ωin在锥体706中。折反射光学元件38的第二端708具有面积Aout和透射的光锥710具有立体角Ωout。等式1教导了Aout因此比Ain更大，从而在至少一个维度上折反射光学元件的输出宽度比输入宽度大，以提供光锥立体角Ωout的减小。因此，与微型LED 3的面积相比，通过增加第二端708的输出面积Aout实现了光锥710的更小立体角。折反射光学元件可以扩展；那么微型LED 3的宽度可以小于第二端708的宽度。
图15进一步示出了旋转对称折反射光学元件38的光轴711。在该实施例中，光轴711是沿着其具有旋转对称性的线，并且是穿过折反射光学元件38的折射界面42和外反射界面46的曲率中心的线。
在折反射光学元件38被布置为在轴上操作的实施例中，可以将输出亮度布置为在垂直于输出界面，例如垂直于透明支撑基板47的方向上提供。在这样的实施例中，光轴711可以是折射界面42和外部反射界面46a、46b的反射对称轴。
可以假定未进一步详细讨论的图13-15的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
现在将进一步描述折反射光学元件38的布置和操作。
图16是示意图，在侧视图中示出了在通过其光轴177的至少一个横截面中的折反射光学元件38的输入宽度712和输出宽度714。因此，横截面是x-z平面，光轴711在横截面中。
多个折反射光学元件中的每个折反射光学元件38在通过其光轴711的至少一个横截面中包括第一外界面46a和面向第一外界面46a的第二外界面46b。第一外界面46a和第二外界面46b从折反射光学元件38的第一端707延伸到折反射光学元件38的第二端708，折反射光学元件708的第二端708面对折反射元件的第一端707。
在折反射光学元件的第一端的第一和第二外界面46a、46b之间的距离712小于在折反射光学元件38的第二端708的第一和第二外界面46a、46b之间的距离714。至少一个透明内界面42、44布置在第一端707与第二端708之间以及第一外界面46a与第二外界面46b之间。
端部708可以由折反射光学元件38的输出界面提供，或者可以例如布置在模制光学部件的层中，例如在图1A的透明支撑基板92上。
多个折反射光学元件中的每个折反射光学元件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仅与多个折反射光学元件中的相应一个折反射光学元件对准。多个反射折射元件中的折反射光学元件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中的其相应一个或多个LED 3的对应对准是通过定位在折反射光学元件38的第一端707并与折反射光学元件38对准。
LED 3可以定位在折反射光学元件38的第一端707和在折反射光学元件38的至少一个透明内界面42、44之间，并与折反射光学元件对准。例如，在横截面中，微型LED 3的中心可以与折反射光学元件的光轴711对准。在本公开中，术语“在折反射光学元件的第一端”包括例如微型LED在第一端707下方、在与折反射光学元件38的端部707相同的平面中、或者在端部707附近、或者在端部707靠近或者与该端部相邻是少量的。在每种情况下，这可以包括与折反射光学元件的光轴对准。以上描述可以应用于所有实施例。
折反射光学结构同时使用光的反射和折射。此外，折反射光学结构是通常通过透镜(折光)和曲面镜(折反射)将折射和反射结合在光学机构中的结构。折反射光学元件有时称为RXI光学元件。RXI光学元件通过折射(R)、金属反射(X)和全内反射(I)产生光线偏转。
第一外界面46a和第二外界面46b每个都包括从折反射光学元件的第一端707延伸到折反射光学元件38的第二端708的弯曲界面，折反射光学元件的第二端708面对折反射光学元件38的第一端707。此外，透明内界面42、44包括至少一个弯曲界面42。第一端707和第一端707处的第一外界面46a之间的外角715可以小于第一端707和第二端708处的第一外界面46a之间的外角717。此外，在第一端707与第一端707处的第二外界面46b之间的外角小于第一端707与在第二端708处的第二外界面46b之间的外角。
有利地，准直光可以被提供具有窄锥角的定向光输出分布。
折反射光学元件38可以被布置为从微型LED 3提供基本上准直的输出光，以用于入射到弯曲的外界面46a、46b和至少一个透明内界面44上的光，该光可以具有正光功率。另外，透明内界面42、44中的至少一个可以具有零光功率。有利地，可以在制造的加工和模制步骤中方便地设置界面44。此外，这些界面可以协作以在高输出立体角上为来自LED 3的所有光线提供准直光，如下面将参考图19与图4A和4B比较描述的。
因此，由第一多个LED中的LED 3的光线718示出的一些光输出在其在第一或第二外界面46a、46b处被反射并被引导到第一定向光输出分布120之前被至少一个透明内界面44透射；并且第一多个LED中的LED 3的光线716所示的一些光输出由至少一个透明内界面42透射，并被引导到第一定向光输出分布120中，而在第一或第二外界面46a、46b处没有反射。
图16进一步示出可以在第一多个LED中的微型LED 3与至少一个透明内界面42、44之间提供折射光学元件706。折射光学元件706可以是半球形透镜，其被布置成从通常用于无机微型LED 3的高折射率材料实现提高效率的光输出耦合。半球形透镜706增加了包括LED和半球形透镜706的光源9的有效面积Ain，因此来自微型LED 3的光以比单独由微型LED3提供的更大的锥角分布。
有利地，可以提供更高效率的输出耦合。
在至少一个横截面平面中，本实施例提供了输出定向光输出分布的宽度的减小，以提供具有定向光输出分布的方向性(如由立体角Ωout说明的)，该分布小于折反射光学元件的输入定向光输出分布(如由立体角Ωin说明的)。
可以假定未进一步详细讨论的图16的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
可能期望从折反射光学元件提供离轴照明。
通过比较，已知的显示器背光可以使用大面积边缘输入光导和光学膜例如3M公司的BEF和后反射器。这样的背光通常可以具有小于8mm的厚度，并且更典型地为大约4mm。与使用区域光导的常规背光相比，本实施例的微光学可以提供厚度减小的背光。与背光LCD相比，进一步的直接显示器可以具有较低的厚度，并且类似于OLED显示器可以实现的厚度。
图17是示意图，以透视图示出由提供背景光744和中心点光束742、743的多个折射光学元件740、741的照明。背景光744可以由在折射光学元件740外部传播的光提供，并且可以具有类似于输入光源的定向光输出分布，该输入光源可以是例如微型LED 3。辉光744可能不利地提供会降低照明质量的杂散光，例如增加未经授权的观看者的背景私密性等级，并降低私密性性能。可能不期望地提供具有高亮度的另外的附加点光束743。
图18是示意图，在透视图中示出了由提供外部光晕746和中心点光束742的多个反射光学元件的照明。与图17的布置相比，可能不存在附加的点光束743，但是不期望地，光晕746将光分布在更宽的面积上并且降低了背景照度水平，例如降低了私密性性能。可以通过增加反射光学器件的长度749来减小光晕746的尺寸，但是这样会增加装置的厚度。
图19是示意图，在透视图中示出了由提供中心点光束的多个折反射光学元件的照明。与图17、18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。
可以假定未进一步详细讨论的图17-19的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
现在将进一步描述形成照明装置的方法。
图20A-D是以透视图示出了形成照明装置110的方法的示意图，该照明装置包括多个微型LED 3和多个折反射光学元件38，如美国专利申请US8985810中所述，该申请全文以引用方式并入本文。
如图20A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以是蓝宝石的基板4上。
如图20B所示，可以从单片晶圆2中提取微型LED 3的非单片阵列，以提供具有间隔s1的微型LED 3a、3b。
如图20C所示，微型LED 3a、3b可以被布置在基板93上，与电极和其它光学元件(未示出)对准。
如图20D所示，基板93可以与具有间隔s4的多个折反射光学元件38对准，以提供照明设备，从而使得间隔s4可以与间隔s1相同。有利的是，可以使用少量的提取步骤在大面积上形成大量的元件，同时保持对准相应的光学元件阵列。
因此，LED可以来自以阵列布置的单片晶圆2，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和方向得以保留；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，对于每个相应的对，在所述单片晶圆中有至少一个相应的LED在所述单片晶圆中在至少一个方向上位于所述一对LED之间，并且在LED阵列中不位于它们之间。
图20E是在透视图中示出照明设备的单个化的示意图。图20E示出具有期望的定向分布特性的照明组装可以通过从大面积基板93、47中单个化，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另外的设备密封线601，以提供光学元件的气密密封，并减少在使用期间灰尘和其他材料进入光学元件。
可以假定未进一步详细讨论的图20A-E的布置的特征对应于具有如上所述的等效附图标记的特征，包括特征中的任何潜在变化。
如在本公开中可以使用的，词语“基本上”和“近似”提供了公差，该公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大约百分之零到百分之十之间。
本公开的实施例可以在各种光学结构中使用。实施例可以包括例如各种照明、背光、光学组件、显示器、平板电脑和智能电话或与之一起工作。实际上，本公开的各方面可以与涉及显示器、环境照明、光学器件、光学系统的任何设备，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，本公开的实施例可以被用在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/或设备中。
应该理解的是，由于本公开能够用于其他实施例，因此本公开的应用或创建不限于所示出的特定布置的细节。而且，可以以不同的组合和布置来阐述本公开的方面，以限定其自身独特的实施例。同样，在本公开中使用的术语是出于描述的目的而不是限制。
尽管已描述了根据本文公开的原理的实施例，但是应该理解，它们仅以示例的方式呈现，且不具有限制性。因此，本公开的广度和范围不应受到所描述的示范性实施例中的任一种限制，而是应仅根据由本公开公告的任何权利要求书和其等同物来限定。此外，上述优点和特征在所描述实施例中提供，但不应将此类公告的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任一种或全部的过程和结构。
此处包含各节标题是为了提供组织提示。这些标题不应限制或表征可能从本公开公告的任何权利要求中所阐述的实施例。举一个具体的例子，尽管标题是指“技术领域”，但是权利要求不应受到在该标题下选择的用于描述领域的语言的限制。此外，“背景技术”部分中对技术的描述不应理解为承认某技术是本公开中的任何实施例的现有技术。“发明内容”也不应视为所公告权利要求中实施例的特征。此外，本公开中以单数形式对“发明”的任何提及不应用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。多项实施例可根据从本公开公告的多个权利要求的限制来阐述，且此类权利要求限定由此保护的实施例和其等同物。在所有情况下，权利要求的范围应鉴于本公开而在其自有优点上加以考虑，而不应受到本公开中使用的标题约束。

Claims (18)

1.一种照明装置，包括：
多个LED，所述多个LED布置成LED阵列，其中所述多个LED中的LED是微型LED；
与所述多个LED中的LED对准的折反射光学结构，以提供定向光输出分布，所述定向光输出分布为从所述多个LED中的LED输出的光；
其中所述折反射光学结构包括布置成折反射光学元件阵列的多个折反射光学元件，所述多个折反射光学元件中的每个折反射光学元件对应于所述多个LED中的相应的一个或多个LED对准，所述多个LED中的每个LED仅与所述折反射光学结构的折反射光学元件中的相应一个对准；
其中所述多个折反射光学元件中的每个在通过其光轴的至少一个折反射横截面平面中包括：
第一横截面外界面和面对所述第一横截面外界面的第二横截面外界面；
其中所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面分别包括弯曲的界面，所述弯曲的界面包括第一外界面区域和第二外界面区域；
其中所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面从所述折反射光学元件的第一端延伸到所述折反射光学元件的第二端，所述折反射光学元件的所述第二端面对所述折反射光学元件的所述第一端；
其中在所述折反射光学元件的所述第一端处的所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面之间的距离小于在所述折反射光学元件的所述第二端处的所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面之间的距离；和
至少一个透明内界面，其布置在所述折反射光学元件的所述第一端和所述第二端之间以及在所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面之间；
其中所述折反射光学结构包括：
(i)具有第一折射率的第一透明非气态材料，其布置在所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面与所述至少一个透明内界面之间以及在所述折反射光学元件的每个的所述第一端和所述第二端之间；
(ii)第二透明非气态材料，其具有低于所述第一折射率的第二折射率，其布置在相应的对准的LED与所述折反射光学元件的每个的所述透明内界面之间；
(iii)第三透明非气态材料，其具有低于所述第一折射率的第三折射率，其布置在所述多个折反射光学元件中的第一折反射光学元件的所述第一横截面外界面与相邻的折反射光学元件的所述第二横截面外界面之间，并且在所述折反射光学元件的每个的所述第一端和所述第二端之间；其中所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面中的每个的相对于界面法线的光轴的倾斜角随着从所述第一端到所述第二端的距离而连续变化；并且
所述倾斜角相对于距光轴的距离的导数在所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面的相应第一外界面区域和第二外界面区域之间的边界处具有不连续性；
其中来自相应的对准的LED的主要光输出光线被提供在相应的折反射光学元件的所述第一端和所述光轴处，透射通过内界面并入射到横截面外界面上，每个主要光输出光线在弯曲的横截面外界面处具有入射角；
其中每个主要光输出光线的入射角与所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面处的临界角之间的差值相对于距光轴的距离的导数在所述第一外界面区域和所述第二外界面区域之间的边界处具有不连续性；
其中每个主要光输出光线的入射角与所述临界角之间的差值跨所述第一外界面区域是恒定的，并且每个主要光输出光线的入射角与所述临界角之间的差值跨所述第二外界面区域单调增加。
2.根据权利要求1所述的照明装置，其中从所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面的第一端开始的高度在所述折反射光学元件的所述第一端和所述第二端之间单调增加；
所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面中的每个相对于界面法线的光轴的所述倾斜角在每个折反射光学元件的所述第一端和所述第二端之间单调增加。
3.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一外界面区域布置成在轴外方向上反射主要光输出光线，并且所述第二外界面区域布置成在轴上方向上反射主要光输出光线。
4.根据权利要求3所述的照明装置，其中所述主要光输出光线在每个折反射光学元件的所述第一端和所述第二端之间的横截面外界面处通过全内反射被反射。
5.根据权利要求1、3或4中任一项所述的照明装置，其中在所述第一外界面区域中，反射的主要光输出光线在与光轴方向不同的方向上通过所述第二端出射，并且在所述第二外界面区域中，反射的主要光输出光线与光轴平行的通过所述第二端出射。
6.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一外界面区域布置在所述第一端与所述第二外界面区域之间，并且所述第二外界面区域布置在所述第二端与所述第一外界面区域之间。
7.根据权利要求1所述的照明装置，其中将所述第三透明非气态材料布置为填充所述多个折反射光学元件中的第一折反射光学元件的所述第一横截面外界面与相邻折反射光学元件的所述第二横截面外界面之间以及相应折反射光学元件的所述第一端和所述第二端之间的区域。
8.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第三透明非气态材料形成为在所述多个折反射光学元件的所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面上的层。
9.根据权利要求8所述的照明装置，其中布置具有不同于所述第三折射率的第四折射率的填充材料，以填充形成为在所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面上的层的所述第三透明材料之间的区域。
10.根据权利要求1所述的照明装置，其中气体和/或水蒸气阻挡层形成在所述多个LED与所述照明装置的外表面之间。
11.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述微型LED是有机LED。
12.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述LED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方向得以保留；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所述多个LED的至少一对，对于所述多个LED的所述至少一对，在所述单片晶圆中有至少一个LED在所述单片晶圆中在所述至少一个方向上位于所述多个LED的所述至少一对之间，并且在所述LED的阵列中不位于它们之间。
13.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述多个LED中的LED是宽度或直径小于200微米的微型LED。
14.根据权利要求1所述的照明装置，其中在所述至少一个折反射横截面平面中，在所述折反射光学元件的所述第二端处的所述第一横截面外界面和所述第二横截面外界面之间的距离小于600微米。
15.根据权利要求1所述的照明装置，其中所述第一折射率大于1.49，所述第三折射率小于1.42。
16.根据权利要求1所述的照明装置，其中在所述至少一个折反射横截面平面中，其中所述透明内界面中的至少一个具有正的光功率。
17.一种直接显示装置，其包括：可切换的根据权利要求1所述的照明装置；以及控制电路，所述控制电路包括利用图像像素数据驱动所述多个LED的装置。
18.一种背光显示装置，其包括根据权利要求1所述的照明装置和空间光调制器。
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