CN114730851A - 包括无源光学纳米结构的照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种照明设备，所述照明设备包括：第一衬底；光学结构；设置在所述第一衬底与所述光学结构之间的发光元件的阵列；以及设置在所述第一衬底与所述光学结构之间的无源光学纳米结构的阵列。所述无源光学纳米结构中的每一个无源光学纳米结构设置在所述发光元件中的相应一个上，并且每一无源光学纳米结构包括气隙。每一无源光学纳米结构设置在其相应发光元件与所述光学结构之间，其中每一无源光学纳米结构被配置成接收由其相应发光元件发射的光，传递接收的光，并且朝向所述光学结构输出传递光。

Description

包括无源光学纳米结构的照明设备
技术领域
本公开涉及包含显示设备的照明设备。
背景技术
其中使用微型LED的照明设备，例如用于例如膝上型计算机或TV显示器的显示器，正变得越来越具有商业意义。在这些类型的显示器中，通常需要防止光学串扰。还通常需要为显示器提供物理上稳固的结构。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供一种照明设备，所述照明设备包括：第一衬底；光学结构；设置在第一衬底与光学结构之间的发光元件的阵列；设置在第一衬底与光学结构之间的无源光学纳米结构的阵列，每一无源光学纳米结构设置在发光元件中的相应一个上，每一无源光学纳米结构包括气隙，并且每一无源光学纳米结构设置在其相应发光元件与光学结构之间，其中每一无源光学纳米结构被配置成接收由其相应发光元件发射的光，使得接收的光传递通过，并且朝向光学结构输出传递光。
光学结构可被布置成引导来自发光元件的光，并且引导到所要位置或角度范围。减少了光学结构的邻近光学元件之间的串扰，并且维持了来自照明设备的光学输出的方向性。无源光学纳米结构可由具有高分辨率光学特征的单片晶圆制成。无源光学纳米结构可具备小面积，从而降低成本并提高性能。可实现无源光学纳米结构的高均匀性。
每一无源光学纳米结构可包括被配置成将其相应发光元件与光学结构分离的多个间隔件。气隙可包括填充多个间隔件之间的空间的空气。来自发光元件的光由无源光学纳米结构传递，使得光学结构内的光锥处于介质中的光的临界角内。有利地，减少了光学结构的邻近光学元件之间的串扰。
每一无源光学纳米结构的多个间隔件中的每一个间隔件的高度可大于由相应发光元件发射的光的波长。来自发光元件的光由无源光学纳米结构传递，使得光学结构内的光锥可与光学结构的介质中的光的临界角大体上相同。有利地，减少了光学结构的邻近光学元件之间的串扰。光线可被布置成在光学结构内引导。有利地，可在大面积上实现高输出均匀性。
照明设备可进一步包括包围多个无源光学纳米结构中的每一个无源光学纳米结构和其相应发光元件的杯形件。有利地，可进一步减少串扰。
由每一发光元件发射的光中的至少一些可在与气隙的界面处经历全内反射。有利地，光线可在发光元件内再循环以增加装置效率。
无源光学纳米结构可为疏水性的。有利地，粘合材料可不填充无源光学纳米结构的间隔件之间的间隙，并且光学输出可维持在光学结构内的临界角内。
光学结构可为折反射式光学结构。有利地，可提供窄输出锥角以用于从具有低厚度的照明设备输出。
照明设备可进一步包括被布置成将光学结构粘合到无源光学纳米结构的粘合层。第一衬底和光学结构可光学接合以有利地实现对环境条件的变化的增加的弹性。从光学结构传递到光学结构的一些光线可在低损失的情况下透射，从而增加输出效率。
照明设备可进一步包括设置在每一发光元件与其相应无源光学纳米结构之间的颜色转换层。有利地，可确定输出颜色。
发光元件可为具有小于300μm的最大尺寸的微型LED。发光元件可为具有优选地小于200μm且最优选地小于100μm的最大尺寸的微型LED。有利地，可提供低厚度光学元件。
照明设备可进一步包括其中包括多个孔口的掩模，所述掩模设置在第一衬底的与发光元件的阵列相对的侧上。光学结构可被配置成引导从发光元件的阵列接收到的光中的至少一些通过掩模中的孔口。有利地，照明设备可具备高输出效率。可实现照明设备的低反射率。在显示设备中，可实现高图像对比度。
根据本公开的第二方面，提供一种背光源设备，所述背光源设备包括第一方面的照明设备。有利地，低厚度高效率背光源可具备对环境改变的高弹性。背光源可为灵活的且具有广泛分离的微型LED，从而降低微型LED成本。可实现高水平的准直。
根据本公开的第三方面，提供一种显示设备，所述显示设备包括第一方面的照明设备或第二方面的背光源设备。可有利地实现在明亮的照亮周围环境中具有高图像对比度且具有高效率且具有低厚度的显示设备。可提供低杂散光显示器，例如防窥显示器或用于夜间操作的显示器。
根据本公开的第四方面，提供一种制造照明设备的方法，所述方法包括：将发光元件的阵列安装在衬底上；将无源光学纳米结构安装在发光元件中的每一个发光元件上，每一无源光学纳米结构包括气隙；将光学结构接合到衬底，使得每一无源光学纳米结构设置在其相应发光元件与光学结构之间。有利地，可提供照明设备。可在单片晶圆衬底上提供高精确度纳米结构，并且仅可转移符合所要性能水平的那些无源光学纳米结构。可实现高均匀性和低成本。
发光元件的阵列可为非单片发光元件阵列。方法可进一步包括从单片晶圆提取非单片发光元件阵列。有利地，可在单片晶圆衬底上提供发光元件，并且仅可转移符合所要性能水平的那些发光元件。可实现高均匀性和低成本。
附图说明
在附图中通过实例的方式说明了实施例，其中相似的附图标记指示类似的部分，并且其中：
图1A说明根据实施例的照明设备的部分的横截面视图；
图1B说明图1A的照明设备的部分的透视图；
图2说明展示临界角如何取决于与无源光学纳米结构相关联的参数的曲线图；
图3说明无源光学纳米结构形成为其部分的单片晶圆的透视图；
图4说明根据实施例的无源光学纳米结构如何堆叠在发光元件110上；
图5A和5B分别说明照明设备的实施例的横截面视图和透视图；
图6A、6B、6C和6D分别说明多个间隔件的实施例的俯视图；
图7说明照明设备的实施例的横截面视图；
图8A和8B说明在制造图5A和图5B的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的方法的横截面视图；
图9和10说明在制造图5A和图5B的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的另一方法的横截面视图；
图11A和11B说明在制造包括布置在光学结构的输入侧上的无源光学纳米结构的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的方法的横截面视图，其中无源光学纳米结构形成在光学结构上；
图12A和12B说明在制造包括布置在光学结构的输入侧上的无源光学纳米结构的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的方法的横截面视图，其中无源光学纳米结构形成在光学结构的材料中；
图13和图14说明照明设备的另外两个实施例的横截面视图；以及
图15说明照明设备的另一实施例。
具体实施方式
在本说明书中，(除非通过术语“封装”限定，否则)“LED”或“微型LED”是指直接从单片晶圆(即半导体元件)中提取的未封装LED裸片。微型LED可通过阵列提取方法来形成，在所述阵列提取方法中，多个LED并行地从单片外延晶圆移除，并且可以小于5微米的位置公差来进行布置。这与封装的LED不同。封装LED通常具有引线框架和塑料或陶瓷封装，具有适合于标准表面安装印刷电路板(PCB)组合件的焊料端子。封装LED的大小和PCB组装技术的局限性意谓由封装LED形成的显示器很难以小于约1mm的像素间距组装。由此类组装机放置的组件的准确性通常约为正或负30微米。此类大小和公差使得无法应用于超高分辨率显示器。
现将描述各种定向显示装置的结构和操作。在本说明书中，共同的元件具有共同的附图标记。注意，与任何元件相关的公开适用于其中提供相同或对应元件的每一装置。因此，为了简洁起见，不再重复此类公开。
图1A说明根据实施例的照明设备100的部分的横截面视图。照明设备100包括按所述次序堆叠的发光元件110、颜色转换层120、无源光学纳米结构130、粘合层206和光学结构220。
照明设备100进一步包括第一衬底200。发光元件110的阵列设置在第一衬底200与光学结构220之间。无源光学纳米结构130的阵列设置在第一衬底200与光学结构220之间，每一无源光学纳米结构130设置在发光元件110中的相应一个上，每一无源光学纳米结构包括气隙133，并且每一无源光学纳米结构130设置在其相应发光元件110与光学结构220之间，其中每一无源光学纳米结构130被配置成接收由其相应发光元件110发射的光，使得接收的光170、180传递通过，并且朝向光学结构220输出传递光。每一无源光学纳米结构130包括被配置成将其相应发光元件110与光学结构220分离的多个间隔件132。气隙133包括填充多个间隔件132之间的空间的空气。发光元件110被配置成发射特定波长带(例如，红色、蓝色或绿色)的光。在此实施例中，发光元件为发光二极管(LED)。更具体地说，在此实施例中，发光二极管为微型LED，即，具有小于300μm，优选地小于200μm且最优选地小于100μm的最大大小或尺寸的LED。光线160由微型LED的发射层内的激发112发射。颜色转换层120设置在每一发光元件110与其相应无源光学纳米结构130之间。颜色转换层120被配置成接收由发光元件110发射的光线160，在吸收区122处吸收光中的至少一些，并且发射与由发光元件110发射的光的波长带不同的波长带的光线170。换句话说，颜色转换层120有效地用以转换由发光元件110发射的光中的至少一些的颜色。
颜色转换层120可包括荧光体、量子点或其它颜色转换材料。应了解，在一些实施例中，可省略颜色转换层120，并且由发光元件110直接提供有色发射。
无源光学纳米结构130被配置成接收由颜色转换层120发射的光线170，使得接收的光输送通过，并且输出输送光。
无源光学纳米结构130被配置成更改传递通过的光中的至少一些的行进方向。无源光学纳米结构130包括基层131、多个间隔件132和气隙133。
入射在与气隙133的边界上的光线170传递通过无源光学纳米结构130。
在此实施例中，多个间隔件132为支柱或柱。多个间隔件132从基层132垂直延伸。多个间隔件132均匀地分布在基层131上，使得邻近间隔件132之间的距离p(也被称为间隔件132的间距)对于每对邻近间隔件132大体上相同。
多个间隔件132中的每一个间隔件具有与其它间隔件132中的每一个间隔件大体上相同的高度h。气隙133由间隔件132和基底层131限定。更具体地说，气隙133包括从基层131填充间隔件132之间的空间直到间隔件132的高度的空气。
基层131例如由例如二氧化硅的无机材料形成，或可为聚合材料。间隔件132例如由例如二氧化硅的图案化无机材料形成，或可为聚合材料。
粘合层206被布置成将光学结构220粘合到无源光学纳米结构130。粘合层206将无源光学纳米结构130接合到光学结构220。更具体地说，粘合层206接合到间隔件132的顶部和光学结构220的底部表面。粘合层206可由任何适当粘合剂形成，例如光学透明粘合剂(OCA)或压敏粘合剂(PSA)。
光学结构220为操控其接收的光的光学元件。在此实施例中，光学结构220为允许其接收的光传送通过的透明衬底(例如，玻璃衬底)。图1A的照明设备可进一步接合到另一光学结构，或光学结构可形成在光学结构中或形成到光学结构上。将在下文描述光学结构的实例。
在操作中，如果从发光元件110到达基层131与气隙133之间的界面135的光线180以大于临界角的入射角击中界面，则其被全内反射。光线180可在发光元件110或颜色转换层120内再循环。可通过无源光学纳米结构130输出经再循环光线182中的一些，从而增加效率。
因此，仅以小于界面处的临界角的入射角击中界面135的光传递通过界面135。第一光线160为由发光元件110发射的尚未通过颜色转换层120进行颜色转换的光线。在第一光线160在界面处的入射角小于临界角时，其进入并传递通过气隙133。第二光线170和第三光线180为已通过颜色转换层120进行颜色转换的光线。在第二光线170在界面处的入射角小于临界角时，其进入并传递通过气隙133。在第三光线180在界面处的入射角大于临界角时，其在界面处全内反射。第二光线170和第三光线180到达气隙133与粘合层206之间的界面，其中所述光线折射且传递到粘合层206中。第二光线170和第三光线180接着行进通过粘合层206且到光学结构220中。
在此实施例中，粘合层206和光学结构220具有大体上相同的折射率，并且因此在粘合层206与光学结构220之间的界面处不发生折射。上述光传播有利地提供通过气隙到达光学结构220的光，所述光在光学结构220内具有相对小的入射角的受限范围。光学结构220内距表面法线199方向的范围大体上通过临界角c确定。
这是因为原本将以较高入射角到达光学结构220的光并不到达第一衬底，因为其实际上在基层131与气隙133之间的界面处被全内反射。有利地，在光学结构220内传播的光锥不是朗伯，而是具有有限锥角。如下文将进一步描述，此类有限锥角实现由光学结构220的光学表面输出的光的准直。
现将描述无源光学纳米结构130对于550nm的标称波长的所要尺寸性质。间隔件132各自具有大于行进通过气隙133和间隔件132的光的波长λ的高度h。
每一无源光学纳米结构130的多个间隔件132中的每一个间隔件的高度h大于由相应发光元件110发射的光160的波长。此外，高度h可大于由相应发光元件110和颜色转换层120发射的光的波长。高度h可大于在发光元件110发射之后已通过颜色转换层120进行颜色转换的光的波长。
间隔件132的宽度w和间距p被布置成最小化从行进通过气隙133的光的间隔件132散射的衍射光，并且最小化间隔件132内的光的引导。
间距p可小于2，优选地小于，更优选地小于/2，并且最优选地小于/5。比率w/p可小于0.5，并且优选地小于0.3，并且更优选地小于0.1。
在操作中，光的波状性质可用于分析光通过无源光学结构130的传播，即，可呈现为由光线160、170、180提供的光传播实际上是由传递通过气隙133和间隔件132的传播光学模式提供。换句话说，光传播的光线模型在无源光学纳米结构130中被破坏。在此类尺度下，无源光学结构130不可使用光线模型来进行解析，并且波传播解释更适当，其中无源光学结构130对于入射波呈现为近似均匀的结构。
此类无源光学元件130可提供高角度衍射或零阶衍射。有利地，可减少来自间隔件和间隔件之间的间隙的衍射散射，从而最小化光散射。在下文中的图5A的实施例的说明性实例中，可有利地减少邻近弯曲反射器222A、222B之间的串扰。
此类元件可通过光刻制造技术提供在单片晶圆上。元件可从单片晶圆转移，或可被布置成提供如本文中其它地方所描述的复制工具。
通过与无源光学纳米结构，例如间距p为20微米且宽度w为5微米的无源光学微结构进行比较，可实现低有效折射率和小角度衍射散射。此类间隔件在所述间隔件内引导入射光，并且将朗伯(Lambertian)输入提供到光学结构220。可提供反射器220A、220B之间的非所要串扰。
无源光学纳米结构130具有由以下等式给出的有效折射率n1：
Figure BDA0003647912220000071
其中n1为有效折射率，n为间隔件132的折射率，p为间隔件132的间距，并且w为间隔件132中的每一个间隔件的宽度。
由每一发光元件110发射的光180中的至少一些在与气隙133的界面处经历全内反射。w、p和n具有使得n1为引起到达无源光学纳米结构130的光中的至少一些的全内反射的值的值。光学结构220内的光的临界角c接着由以下等式给出：
θc＝sin-1(n1/n2) 等式2
其中n2为光学结构220的材料的折射率。
在其它实施例中，间隔件可具有一定间隔分布，并且距离p可具有平均间距pav的分布，其中pav小于1微米，优选地小于0.5微米，并且最优选地小于0.25微米。有利地，相较于固定周期性，可减少外观上的残余衍射结构。
上文所描述的结构趋向于允许光输入到具有受控锥角和高效率的光学元件中，同时通过外部衬底实现与发光元件的接合。因此，所述结构趋向于允许减少照明系统中的光学串扰，同时还提高机械和热稳定性。
图1B说明图1A的照明设备100的部分的透视图。可假设未进一步详细论述的图1B的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在图1B中，存在粘合层206，但为了易于说明未展示。图1B进一步说明用于驱动发光元件110的电极垫210、212。电极垫210、212与发光元件110的表面接触，所述表面与无源光学纳米结构所接触的发光元件110的表面相对。相较于图1A的布置，省略了颜色转换层120。
图1B进一步说明无机微型LED 110的结构。P掺杂半导体层124和n掺杂半导体层126布置在多量子阱结构122的任一侧上。电极210、212因此分别附接到p掺杂半导体层124和n掺杂半导体层126。
无源光学纳米结构130提供在发光元件110的输出侧上。提供在其上布置有发光元件110的第一衬底200。第一衬底200可进一步包括反射掩模区和控制电极(未展示)。在区138中，可提供掩模区，使得所有光从发光元件110输出到无源光学纳米结构130中。此外，发光元件110的侧面可经涂布以防止除了通过无源光学纳米结构之外的光发射。在其它实施例中，无源光学纳米结构130可大于发光元件110，使得来自发光元件的大体上全部的光被引导通过无源光学纳米结构130。
在替代实施例中，可省略电极垫212。透明电极(未展示)可布置在光学衬底220上，并且间隔件132可进一步导电，使得电信号可传递通过间隔件132。可从顶侧电接触件实现对发光元件110的电控制。电流注入区域遍布发光元件110。有利地，可减少电流拥挤且提高效率。
有利地，可提供适合于光学结构220的照明的发光元件，所述光学结构被布置成在薄结构中提供受控照明输出。
图2说明展示临界角如何取决于与无源光学纳米结构130相关联的参数的曲线图。具体地说，图2说明随无源光学纳米结构的间隔件132的宽度w除以间隔件132的间距而变化的临界角。优选地，w/p的比率小于0.5，其实现小于50°的临界角，并且更优选地，w/p的比率小于0.3，其实现小于45°的临界角。
图3说明无源光学纳米结构130形成为其部分的单片晶圆300的透视图。可假设未进一步详细论述的图3的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在用于上文所描述的照明设备100中之前，形成(例如生长)无源光学纳米结构作为无源光学纳米结构130的单片晶圆300的部分，并且接着从单片晶圆300中提取以用于制造照明设备100。
可通过已知提取方法提供对应于所选择无源光学纳米结构130的区131的提取。举例来说，区131可用例如UV光的光照明，所述光至少部分地将所选择无源光学纳米结构130与生长衬底单片晶圆300分离。在其它提取方法中，可借助于使用机械压模的机械分离来蚀刻和提取区131。
多个无源光学纳米结构130可在单个对准步骤中转移。有利地，多个无源光学纳米结构130的阵列可在单个步骤中转移，从而降低成本和复杂性。
对应于提取区131的所选择无源光学纳米结构130从单片晶圆300分离且粘合到可为发光元件110的接收器。接收器可包括粘合剂，使得所选择无源光学纳米结构130在与接收器接触时附接到其上。
有利地，可通过已知半导体光刻制造工艺来提供高精确度无源光学纳米结构。
在生长之后，单片晶圆300可包括如边界302所说明的不同性能的区，并且可进一步包括在操作中产生非所要光学性能的刮痕、碎屑和其它缺陷。本实施例的无源光学纳米结构130可有利地仅从单片晶圆的所要区提取。有利地，可提高输出的均匀性。此外，增加良好无源光学纳米结构的产量，从而实现成本降低。具有大量发光元件的发光元件的阵列可具备所要光学输出和低成本。
如现将描述的，可在发光元件110与无源光学纳米结构130之间提供多个无源光学纳米结构。
图4说明根据实施例的无源光学纳米结构130如何堆叠在发光元件110上。可假设未进一步详细论述的图4的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在此实施例中，在从单片晶圆300提取之后，无源光学纳米结构130堆叠在发光元件上作为全部堆叠在发光元件110上的不同类型的无源光学纳米结构的顺序次序的部分。具体地说，在此实施例中，在从下到上的次序中，堆叠包括蛾眼结构410、量子棒结构420、准直纳米结构430、线栅偏振器440、形状双折射延迟器450，以及上文参考图1-4所描述的无源光学纳米结构130。以此方式，从发光元件110到达无源光学纳米结构130的光将在其由无源光学纳米结构130操控之前通过堆叠中的其它类型的无源光学纳米结构410、420、430、440、450以不同方式操控。应了解，在其它实施例中，取决于期望光在堆叠中的哪一点处被无源光学纳米结构130操控，无源光学纳米结构130可与图4中所展示的其它类型的无源光学纳米结构410、420、430、440、450调换位置。
现将描述照明设备中的无源光学纳米结构的操作。
图5A和图5B分别说明照明设备100的实施例的横截面视图和透视图。可假设未进一步详细论述的图5A和图5B的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
照明设备100包括衬底200、设置在衬底200上的发光元件110的阵列，以及各自设置在发光元件110中的相应一个上的无源光学纳米结构130的阵列。
在此实施例中，发光元件110被布置在反射区35上，使得光线170由发光元件110和反射区35引导远离衬底200。反射区防止光透射到衬底200中。有利地，提高了光线通过孔口152的透射的效率。
在此实施例中，照明设备100进一步包括输出掩模150，所述输出掩模包括在其中由不透明光吸收区151分离的多个孔口152，输出掩模150设置在衬底200的与发光元件110的阵列相对的侧上。输出掩模150被配置成阻止光除传递通过其孔口152之外传递通过。在此实施例中，光学结构220被配置成引导从发光元件110的阵列接收到的光中的至少一些通过输出掩模150中的孔口152。
输出掩模150的不透明光吸收区151可由任何适当的不透明材料形成，例如通过将黑色材料印刷到衬底200上。不透明区151可替代地或另外包括纳米结构化黑色吸收体、“纳米黑”或其它类似材料，例如由阿克塔(Acktar)(伽特镇(Kiryat-Gat)，以色列)出售的材料。有利地，可从照明设备的前部实现极低反射率。
更具体地说，在此实施例中，光学结构220为被配置成将其接收到的光中的至少一些反射回衬底200的反射光学结构。确切地说，光学结构220包括多个凹曲反射表面222A、222B，其各自与相应发光元件110对准且被配置成反射从所述发光元件110接收到的光中的至少一些。
光学结构220可由透明主体和设置在其上的构成弯曲反射器222A、222B的反射材料形成。光学结构220的主体可为玻璃或聚合物材料。弯曲反射器的表面浮雕结构可由例如聚合物材料中的模制或浇铸过程材料提供。反射层可形成在弯曲反射器222A、222B上，例如可包括银或铝材料以及表面粘合促进剂和保护层的沉积的金属涂层。
输出掩模150的孔口152中的每一个孔口可包括设置在其中的漫射器，所述漫射器被配置成散射行进通过孔口152的光以提供输出光线164。孔口152中的漫射器提供可具有宽角展度的光线164。有利地，照明设备可提供宽照明角度的照明，并且在显示应用中，照明设备可从宽视角可见。
光学结构220可包括折反射式光学结构。在本实施例中，弯曲反射光学结构222A、222B处的反射和无源光学纳米结构130的输出处的折射提供折反射式光学结构，即操作由折射和反射两者提供。
在操作中，光线170以与表面法线199成小于临界角c的角度朝向弯曲反射表面222B引导，其中无源光学纳米结构130的表面法线199说明在图1A中。
有利地，图5A和图5B的实施例趋向于防止来自特定发光元件110的光到达特定发光元件110未对准的弯曲表面222A。这归因于每一发光元件110上的无源光学纳米结构130全内反射光。举例来说，在此实施例中，可从无源光学纳米结构130输出光线的最大角度θc由与来自发光元件110的光进入无源光学纳米结构130的气隙的界面相关联的临界角设置。因此，此实施例趋向于防止与反射表面222A相关联的杂散光反射来自它们未对准的发光元件110的光。有利地，减少邻近孔口152之间的杂散光。在显示应用中，减少图像串扰且增加图像对比度。
参考图2的曲线图，可提供w/p的比率以使得临界角可小于45度。弯曲反射表面222A、222B对于临界角附近的光没有色像差但有几何像差，这可实现光从发光元件110到相应对准孔口152的高效成像。有利地，可通过来自邻近发光元件110的低杂散光实现高耦合效率。可减少邻近孔口152之间的串扰。
输出掩模150可被布置成从周围照明160(例如从房间照明或阳光直射)吸收入射光线161，使得经反射光线162的明度显著低于通过孔口152透射的光的明度。有利地，在显示应用中，图像的对比度可在具有高周围照明的环境中大体上增强。可提供降低的光线162的明度以在此类高周围照明环境中实现所要对比度。可减少显示功率消耗。
不透明区151可包括具有与周围装饰材料类似的反射率的材料。显示器可隐藏在装饰内，例如在汽车应用中，以有利地改进显示器在不使用时的美观性外观。
照明设备100还包括用于驱动发光元件110的电子件520，电子件520设置在衬底200上在邻近发光元件110之间。有利地，本实施例提供了相对大的区域，以用于放置控制电子件520而不会造成损失。控制电子件520对于照明设备的观察者不可见。
在一个实施例中，控制电子件520可被布置成提供对发光元件110的全部的全局控制。在另一实施例中，控制电子件520和其它外控制电子件(未展示)可被布置成提供显示功能，即发光元件中的每一个发光元件可通过图像数据个别地控制。在另一实施例中，控制电子件520和其它外部控制电子件(未展示)可被布置成提供用于透射式空间光调制器的照明的背光源功能。发光元件110的个别控制可用于提供高动态范围功能，并且可用于减少显示功率消耗。
图6A-D分别说明多个间隔件132的实施例的俯视图。在图6A中，例如相较于图1B的六边形栅格，间隔件132布置在方形栅格上且具有圆形横截面。有利地，可最小化间隔件132的面积。可在间隔件132的布置的设计中调整残余衍射的可见性。在图6B中，间隔件132为线性的且在至少一个方向上延伸。有利地，可在一个轴线上消除残余衍射的可见性。可增加机械强度。在图6C中，间隔件132为环形的，而在图6D中，间隔件132为盒形的。有利地，可增加机械强度。
可进一步期望限制来自发光元件110的边缘的光的离轴传播。
图7说明照明设备100的实施例的横截面视图。可假设未进一步详细论述的图7的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
在此实施例中，照明设备100进一步包括包围多个无源光学纳米结构130中的每一个无源光学纳米结构和其相应发光元件110的杯形件140。
在此实施例中，每一无源光学纳米结构130围绕其相应发光元件110的侧面延伸。在此实施例中，照明设备100包括多个杯形件140。每一杯形件140设置在衬底200上且包围相应发光元件110和无源光学纳米结构130的侧面。每一杯形件140被配置成阻止光传递通过，并且因此用以防止光从其相应无源光学纳米结构130的侧面输出。这有助于防止广角光从无源光学纳米结构130的侧面输出。有利地，可减少邻近元件之间的串扰。可实现光输出的一定准直，并且可增加正面效率。
现将描述形成图5A-B的设备的方法。
图8A和图8B说明在制造图5A和图5B的实施例的照明设备100期间将光学结构220附接到衬底200的方法的横截面视图。可假设未进一步详细论述的图8A-B的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
如图8A中所展示，首先光学结构定位在衬底200上方，衬底200具有安装到其上的无源光学纳米结构130、发光元件110和输出掩模150。光学结构220经定位以使得其弯曲反射表面222A中的每一个弯曲反射表面与相应发光元件110对准。接着，如图8B中所展示，粘合层206形成在光学结构与衬底200之间以将光学结构附接到衬底200。粘合层206填充发光元件110和无源光学纳米结构130周围的空间。粘合层206的粘合剂可以液体形式注入到光学结构220与衬底200之间的空间中，并且接着例如通过UV和/或热固化随后固化成固体形式，以将光学结构220接合到衬底200。有利地，在操作期间最小化热和机械变化。减少了在光学衬底220与第一衬底200之间的间隙处的菲涅耳反射，从而提高了光学效率且减少了邻近通道之间的串扰。
无源光学纳米结构130可为疏水性的，使得如果粘合剂以液体形式注入，则其气隙不填充有粘合剂。有利地，表面张力可以经布置以使得粘合材料206不填充无源光学纳米结构130的间隔件132之间的气隙133，并且光学输出可维持在光学结构220内的临界角c内。
现将描述提供图5A-B的实施例的光学设备的其它方法。
图9和图10说明在制造图5A和图5B的实施例的照明设备100期间将光学结构220附接到衬底200的另一方法的横截面视图。可假设未进一步详细论述的图9-10的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
如图9中所展示，在此方法中，光学结构220定位在衬底200上方，其中衬底200具有安装到其上的发光元件110、反射掩模35和输出掩模150，并且光学结构220具有安装到其上的无源光学纳米结构130。每一无源光学纳米结构130安装到光学结构220，使得其与光学结构220的相应弯曲反射表面222A对准。光学结构经定位以使得其弯曲反射表面222A中的每一个弯曲反射表面与相应发光元件110对准。接着，如图10中所展示，粘合层206形成在光学结构与衬底200之间以将光学结构附接到衬底200。粘合层206填充发光元件110和无源光学纳米结构130周围的空间。粘合层206的粘合剂可以液体形式注入到光学结构220与衬底200之间的空间中，并且接着随后固化成固体形式，以将光学结构220接合到衬底200。无源光学纳米结构130可为疏水性的，使得如果粘合剂206以液体形式注入，则其气隙不填充有粘合剂206。
图11A-B说明在制造包括布置在光学结构的输入侧上的无源光学纳米结构的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的方法的横截面视图，其中无源光学纳米结构形成在光学结构上。可假设未进一步详细论述的图12A-B的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
相较于图8A-B的方法，无源光学纳米结构130布置在光学结构220的输入侧221上。无源光学纳米结构130可来自如图3中所说明的单片晶圆。在无源光学纳米结构130的附接之前，粘合剂可形成在光学结构220上。多个无源光学纳米结构130可在单个对准步骤中转移。有利地，为发光元件110提供较少过程步骤，从而降低经组装第一衬底200的成本和复杂性。
图12A-B说明在制造包括布置在光学结构的输入侧上的无源光学纳米结构的实施例的照明设备期间将光学结构附接到衬底的方法的横截面视图，其中无源光学纳米结构形成在光学结构的材料中。可假设未进一步详细论述的图11A-B的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
相较于图11A-B的实施例，如图12A中所展示，无源光学纳米结构130形成在光学结构220的材料中在输入侧上且不从单片晶圆转移。图12B说明光学结构200借助于粘合剂200附接到衬底200。间隙133可例如由疏水性支柱132维持。
有利地，可通过将结构并入到用于形成光学结构的输入侧221的工具中来减少无源光学纳米结构的成本。
图13和图14说明照明设备100的另外两个实施例的横截面视图。可假设未进一步详细论述的图13和图14的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
图13说明其中光学结构220为透射性的且衬底200不透明以使得光不可行进通过其的实施例。光透射通过光学结构220，使得从发光元件110发射的光从照明设备100输出，而不行进回到衬底200。有利地，相较于图5A，较高密度的电子控制组件520和电极可布置在衬底200上，而不降低效率。
透镜240A、240B被布置成提供准直输出。可提供用于防窥显示器的背光源设备。
图14说明其中光学结构220为反射性的且将光反射回到衬底200的实施例。在图14的实施例中，衬底为透明的，使得光可行进通过其。因此，在图14的实施例中，发光元件110发射的光通过衬底200从照明设备100输出。相较于图5A的布置，输出经准直且不提供掩模150。有利地，可在薄结构中以高效率实现经准直输出照明。
显示设备可包括背光源设备，所述背光源设备包括照明设备100以照明透射式空间光调制器48。可为例如防窥显示器的显示设备提供此类设备。
在替代实施例中，可省略空间光调制器48，并且照明设备可用于提供定向环境照明，例如用于下照灯或用于汽车前灯。
现将描述用于包括本实施例的无源光学纳米结构130的显示设备的薄背光源结构。
图15说明照明设备100的另一实施例。可假设未进一步详细论述的图15的实施例的特征对应于具有如上文所论述的等效附图标记的特征，包含特征中的任何潜在变化。
衬底200为透明的，并且光学结构220通过区域222A、222B为反射性的。在这两个实施例中，光学结构220包括有刻面的反射表面，所述有刻面的反射表面包括光偏转微结构226以用于提供经准直输出光线190。相较于图5A的实施例，在结构220内引导以与法线199成角度输入到光学结构220中的光线190。此类引导光扩散远离相应发光元件110。可在薄封装中实现高水平的准直。此外，衬底200、220可经接合以实现热和机械稳定性。
如在本文中可使用，术语“大体上”和“近似”为其对应术语和/或项目之间的相关性提供了行业上可接受的公差。此类行业上可接受的公差范围从百分之零到百分之十，并且对应于但不限于分量值、角度等。项目之间的此类相关性的范围在近似百分之零到百分之十之间。
虽然上文已描述了根据在本文中所公开的原理的各种实施例，但应理解，这些实施例仅作为实例而非限制来呈现。因此，本公开的广度和范围不应受任何上文所描述的示例性实施例的限制，而是应仅根据从本公开发布的任何权利要求及其等效物来限定。此外，在所描述的实施例中提供了上述优点和特征，但不应将此类发布的权利要求的应用限制于实现上述优点中的任一个或全部的过程和结构。
另外，本文中提供的章节标题是为了与37CFR 1.77下的建议一致，或提供组织线索。这些标题不应限制或表征本公开可能发布的任何权利要求中阐述的实施例。具体地并且通过实例的方式，虽然标题指的是“技术领域”，但权利要求不应被在所述标题下选择来描述所谓的领域的语言限制。此外，“背景技术”中的技术描述不应被解释为承认某些技术是本公开中的任何实施例的现有技术。“发明内容”也不被认为是所发布的权利要求中阐述的实施例的特性。此外，在本公开中对单数形式的“发明”的任何引用不应被用于论证在本公开中仅存在单个新颖点。可根据从本公开发布的多个权利要求的限制来阐述多个实施例，并且此类权利要求相应地限定了受其保护的实施例和其等效物。在所有例子中，此类权利要求的范围应根据本公开根据其自身的优点来考虑，但不应受本文中所阐述的标题的限制。

Claims (17)

1.一种照明设备，所述照明设备包括：
第一衬底；
光学结构；
设置在所述第一衬底与所述光学结构之间的发光元件的阵列；
设置在所述第一衬底与所述光学结构之间的无源光学纳米结构的阵列，每一无源光学纳米结构设置在所述发光元件中的相应一个上，每一无源光学纳米结构包括气隙，并且每一无源光学纳米结构设置在其相应发光元件与所述光学结构之间，
其中每一无源光学纳米结构被配置成接收由其相应发光元件发射的光，使得接收的光传递通过，并且朝向所述光学结构输出传递光。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其中每一无源光学纳米结构包括被配置成将其相应发光元件与所述光学结构分离的多个间隔件。
3.根据权利要求2所述的照明设备，其中所述气隙包括填充所述多个间隔件之间的空间的空气。
4.根据权利要求2或3所述的照明设备，其中每一无源光学纳米结构的所述多个间隔件中的每一个间隔件的高度大于由所述相应发光元件发射的所述光的波长。
5.根据权利要求2到4中任一项权利要求所述的照明设备，所述照明设备进一步包括包围多个无源光学纳米结构中的每一个无源光学纳米结构和其相应发光元件的杯形件。
6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，其中由每一发光元件发射的光中的至少一些在与所述气隙的界面处经历全内反射。
7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，其中所述无源光学纳米结构为疏水性的。
8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，其中所述光学结构为折反射式光学结构。
9.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，所述照明设备进一步包括被布置成将所述光学结构粘合到所述无源光学纳米结构的粘合层。
10.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，所述照明设备进一步包括设置在每一发光元件与其相应无源光学纳米结构之间的颜色转换层。
11.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，其中所述发光元件为具有小于300μm的最大尺寸的微型LED。
12.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备，所述照明设备进一步包括其中包括多个孔口的掩模，所述掩模设置在所述第一衬底的与所述发光元件的所述阵列相对的侧上。
13.根据权利要求12所述的照明设备，其中所述光学结构被配置成引导从所述发光元件的所述阵列接收到的所述光中的至少一些通过所述掩模中的所述孔口。
14.一种背光源设备，所述背光源设备包括根据前述权利要求中任一项权利要求所述的照明设备。
15.一种显示设备，所述显示设备包括根据权利要求1到13中任一项权利要求所述的照明设备或根据权利要求14所述的背光源设备。
16.一种制造照明设备的方法，所述方法包括：
将发光元件的阵列安装在衬底上；
将无源光学纳米结构安装在所述发光元件中的每一个发光元件上，每一无源光学纳米结构包括气隙；
将光学结构接合到所述衬底，使得每一无源光学纳米结构设置在其相应发光元件与所述光学结构之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述发光元件的所述阵列为非单片发光元件阵列，并且所述方法进一步包括从单片晶圆提取所述非单片发光元件阵列。
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