CN117178142A - 具有发射器阵列、微米或纳米结构化透镜、和角度滤光器的发光器件组件 - Google Patents

Abstract

一种发光器件组件包括发光元件的发射器阵列、透明衬底、结构化透镜和角度滤光器。发射器阵列从其发射表面发射透过衬底的输出光，并且使得能够选择性激活阵列的各个元件或元件子集并从阵列的各个元件或元件子集发射。结构化透镜形成在衬底上或衬底中，并且包括微米或纳米结构化元件，该微米或纳米结构化元件导致有效焦距小于结构化透镜和发射表面之间的有效距离。角度滤光器位于衬底上或衬底中或者位于发射表面上，并且表现出随着入射角的增大而减小的透射或截止角。

Description

具有发射器阵列、微米或纳米结构化透镜、和角度滤光器的发 光器件组件

优先权要求

本申请要求(i)以Lopez等人的名义于2021年2月22日提交的题为“Light-emitting device assembly with emitter array,micro-or nano-structured lens,andangular filter(具有发射器阵列、微米或纳米结构化透镜和角度滤光器的发光器件组件)”的美国非临时申请第17/182005号(现为美国专利第11204153号)和(ii)以Lopez等人的名义于2021年12月20日提交的题为“Light-emitting device assembly with emitterarray,micro-or nano-structured lens,and angular filter(具有发射器阵列、微米或纳米结构化透镜和角度滤光器的发光器件组件)”的美国非临时申请第17/555905号的优先权；所述两个申请通过引用以其全部内容并入本文。

技术领域

本发明的领域涉及发光器件组件。本文公开了包括发射器阵列、微米或纳米结构化透镜、和角度滤光器的组件。

背景技术

在一些照明应用中，可能期望生成不同的空间照明图案。发射器阵列(例如，LED阵列或pcLED阵列)可以被成像到远场中的图像平面中。阵列的不同发射器的选择性激活导致对应的不同空间照明图案。在一些实例中(例如，移动设备中的相机闪光灯)，由于远场成像可能需要的光学元件的尺寸，显著的尺寸限制使得这种远场成像成问题。在一些实例中，那些光学元件可能是低效的或有损耗的。

此外，典型的发光二极管发射辐射作为输出光束，其角强度分布大致为Lambertian分布(即，具有随cosθ变化的强度，其中θ＝0°定义初级光束传播方向，该初级光束传播方向在许多示例中垂直于发射器的表面)。对于许多实际应用来说，这种强度分布太宽，其中总光输出功率中不可接受的高份额以离初级光束方向太远的角度传播，以致于没有用。特别地，在上述照明应用中，这种Lambertian强度分布可以导致LED输出的相当大的份额没有被成像光学器件收集。

发明内容

本发明的发光器件组件包括发光元件的发射器阵列、衬底、结构化透镜和角度滤光器。发射器阵列从其发射表面发射输出光。发射器阵列使得能够选择性激活阵列的各个元件或阵列的元件的不同子集，并对应地选择性地从激活的元件发射输出光。衬底基本上是透明的，并且被定位成使得输出光透过衬底。

所述结构化透镜形成在衬底上或衬底中，并包括微米或纳米结构化元件，所述微米或纳米结构化元件被布置为使结构化透镜的特征在于有效焦距；该有效焦距小于结构化透镜和发射器阵列的发射表面之间的有效距离。角度滤光器位于衬底上或衬底中，或者位于发射器阵列的发射表面上；该角度滤光器表现出依赖于入射角的光学透射，该光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在该截止入射角以上光学透射基本上被阻止。

结构化透镜对发射器阵列的远场成像可以导致对应的远场照明图案。阵列的各个元件的不同子集的选择性激活可以导致不同的对应远场照明图案。

结构化透镜的微米或纳米结构化表面元件可以包括形成在衬底上或衬底中的大量大小和形状合适的凸起、孔、凹陷、内含物、结构，纳米天线阵列，部分光子带隙结构，光子晶体，或超构原子(meta-atoms)或超构分子(meta-molecules)阵列。那些元件可以被布置成以便共同地在输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，这导致结构化透镜的有效焦距。角度滤光器可以包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、超构原子或超构分子阵列、或者多层电介质薄膜。角度滤光器还可以被布置成导致输出光的透射重定向，从而以小于其入射角的角度传播。

在参考附图中所图示及以下书面描述或所附权利要求中公开的示例时，与发光器件组件相关的目的和优点可以变得清楚。

提供本发明内容是为了以简化形式介绍构思的选择，这些构思将在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1示意性地示出了由聚焦元件形成的发光元件阵列的图像。

图2为本发明的发光器件组件的第一示例的示意性侧截面视图。

图3为本发明的发光器件组件的第二示例的示意性侧截面视图。

图4A和图4B示意性地示出了由本发明的发光器件组件的结构化透镜的示例赋予的相位函数的示例。

图5A、图5B和图5C分别是本发明的发光器件组件的结构化透镜的示例的俯视图、透视图和放大视图。

图6A至图6D为示出由本发明的发光器件组件的角度滤光器的示例所表现出的依赖于入射角的反射率或透射的曲线图。

图7A至图7C为示出由本发明的发光器件组件的角度滤光器的示例所表现出的依赖于入射角的透射的曲线图。

图8A和图8B为分别示出由本发明的发光器件组件的角度滤光器的示例所表现出的依赖于入射角的透射和反射率的曲线图。

图9A和图9B示意性地示出了通过本发明的发光器件组件的角度滤光器的示例的光的透射重定向，从而分别以小于折射角或小于入射角的角度传播。

图10A和图10B分别示意性地示出了不具有和具有角度滤光器的发光元件阵列的模拟角度强度分布。

图11A至图11D示意性地示出了本发明的发光器件组件的角度滤光器的示例的纳米天线的若干示例。

图12A示意性地示出了本发明的发光器件组件阵列的发光元件的选择性激活。图12B、图12C和图12D是在阵列和结构化透镜之间的有效距离分别大于、大约等于、和小于结构化透镜的有效焦距的情况下形成的图像的模拟。

图13A示意性地示出了本发明的发光器件组件阵列的发光元件的选择性激活。图13B和图13C是在分别用空气和硅树脂填充阵列和结构化透镜之间的空间的情况下形成的图像的模拟。

图14A是针对图3的示例，对于具有R＝98％的收集器腔，由结构化透镜收集的模拟相对光学功率作为相对于透镜NA的阵列输出NA的函数的曲线图。图14B是针对图3的示例，对收集器腔内散射或反射的光的输出光学功率的模拟相对贡献作为相对于透镜NA的阵列输出NA的函数的曲线图。

图15示出了示例pcLED的示意性截面视图。

图16A和图16B分别示出了pcLED示例阵列的示意性的截面视图和俯视图。

图17A示出了相对于波导和投影透镜布置的pcLED示例阵列的示意性截面视图。图17B示出了与图17A的布置类似的布置，但是没有波导。

图18A示出了示例miniLED或microLED阵列的示意性俯视图以及该阵列的3×3LED的放大部分。图18B示出了单片形成在衬底上的示例pc-miniLED或pc-microLED阵列的几个LED的透视图。图18C是单片管芯和衬底上的多色磷光体转换LED的密排(close packed)阵列的示例的侧截面示意图。

图19A是示例LED显示器的一部分的示意性俯视图，其中每个显示像素为红色、绿色或蓝色磷光体转换LED像素。图19B是示例LED显示器的一部分的示意性俯视图，其中每个显示像素包括集成到单个管芯上的多个磷光体转换LED像素(红色、绿色和蓝色)，该单个管芯结合到控制电路背板。

图20A示出了可以安装pcLED阵列的示例电子板的示意性俯视图，并且图20B类似地示出了安装在图20A的电子板上的示例pcLED阵列。

所描绘的示例仅为示意性地示出；所有的特征可能没有完全详细或以适当的比例示出；为了清晰起见，某些特征或结构可能相对于其他特征或结构被夸大或缩小，或者被完全省略；除非明确指示是按比例的，否则不应认为附图是按比例的。特别地，各种元件的高度、深度或宽度通常相对于其他元件或例如下层衬底的厚度而被夸大。所示的示例不应被解释为限制本公开或所附权利要求的范围。

具体实施方式

应该参照附图来阅读以下具体实施方式，其中遍及不同的图，相同的附图标记指代类似的元件。不一定按比例绘制的附图描绘了选择性的示例，并且不旨在限制所公开的发明主题的范围。具体实施方式通过示例的方式而非通过限制的方式说明了发明主题。

半导体发光二极管和激光二极管(在本文中统称为“LED”)是当前可用的最有效的光源之一。LED的发射光谱通常在由该器件的结构和由其构成的半导体材料的组分所确定的波长处表现出单一的窄峰。通过合适地选择器件结构和材料体系，LED可以被设计为在紫外、可见、或红外波长处来操作。在一些实例中，由LED发射的光被用作器件的输出；这种LED可以被称为直接发射器。

在其他实例中，LED可以与吸收由LED发射的光并作为响应发射更长波长的光的一种或多种波长转换材料(在本文中一般称为“磷光体”)组合。对于这种磷光体转换LED(“pcLED”)，由LED发射的被磷光体吸收的光的份额取决于由LED发射的光的光路上的磷光体材料的量，例如取决于设置在LED上或LED周围的磷光体层中磷光体材料的浓度以及该层的厚度。

可以将磷光体转换LED设计为使得LED发射的所有光都被一种或多种磷光体吸收，在该情况下，来自pcLED的发射完全来自磷光体。在这种情况下，例如，可以选择磷光体以在狭窄的光谱区域内发射光，该光不由LED直接有效地生成。

替代地，可以将pcLED设计为使得由LED发射的光的仅一部分被磷光体吸收，在该情况下，来自pcLED的发射是由LED发射的光和由磷光体发射的光的混合。通过合适地选择LED、磷光体、和磷光体组分，可以将这样的pcLED设计成发射例如具有期望的色温和期望的显色特性的白光。

可以在单个衬底上一起形成多个LED或pcLED，以形成阵列。这种阵列可以用于形成有源照明显示器，诸如在例如智能手机和智能手表、计算机或视频显示器、增强或虚拟现实显示器、或者标牌中采用的那些；或者用于形成自适应照明源，诸如在例如机动车前灯、街灯、相机闪光源、或闪光灯(即手电筒)中采用的那些。每毫米具有一个或几个或许多单独器件的阵列(例如，大约一毫米、几百微米、或小于100微米的器件间距或间隔，以及相邻器件之间小于100微米或者仅几十微米或更小的分隔)通常被称为miniLED阵列或microLED阵列(替代地，μLED阵列)。这种miniLED阵列或microLED阵列在许多实例中还可以包括如上所述的磷光体转换器；这种阵列可以被称为pc-miniLED阵列或pc-microLED阵列。

图15示出了单独的pcLED 100的示例，其包括设置在衬底104上的半导体二极管结构102(在本文中一起被认为是“LED”或“半导体LED”)，以及设置在半导体LED上的波长转换结构(例如，磷光体层)106。直接发射器LED将缺少波长转换结构106。如在下文中所使用的，术语“LED”一般应当是指直接发射器LED和pcLED中的任一种或两种。

半导体二极管结构102通常包括设置在n型层和p型层之间的结或有源区。跨二极管结构102施加合适的正向偏压导致来自有源区的光发射。所发射的光的波长由有源区的组分和结构确定。

该LED可以为(例如)发射蓝光、紫光或紫外光的III族氮化物LED。也可以使用由任何其他合适的材料体系形成并发射任何其他合适波长的光的LED。其他合适的材料体系可以包括例如III族磷化物材料，III族砷化物材料，镓、铝、铟、氮、磷、砷的其他二元、三元或四元合金，其他III-V族材料，或者各种II-VI族材料。

取决于来自pcLED的期望的光学输出，任何合适的磷光体材料均可以用于波长转换结构106或并入波长转换结构106。

图16A和图16B分别示出了设置在衬底204上的pcLED 100的阵列200的截面视图和俯视图，每个pcLED 100包括磷光体像素106。一般地，阵列可以包括以任何合适方式布置的任何合适数量的直接发射器LED和/或pcLED。在所说明的示例中，该阵列被描绘为单片地形成在共享衬底上，但是替代地，阵列可以由分隔的各个LED和/或pcLED形成(例如，组装到阵列衬底上的单切(singulated)器件)。在所示示例中示出了各个磷光体像素106，但是替代地，磷光体材料的邻接层可以跨多个LED 102设置。在一些实例中，阵列200可以包括相邻LED 102、磷光体像素106或两者之间的光屏障(例如，反射、散射和/或吸收)。衬底204可以可选地包括电迹线或互连、或者CMOS或用于驱动LED的其他电路，并且可以由任何合适的材料形成。

可选地，各个LED和/或pcLED 100可以包含透镜或其他光学元件，或者布置成与透镜或其他光学元件组合，所述透镜或其他光学元件定位成与磷光体层相邻或者设置在磷光体层上。这种光学元件(图中未示出)可以称为“初级光学元件”。另外，如图3A-图3B中所示，LED或pcLED阵列200(例如，安装在电子板上)可以布置成与次级光学元件(诸如波导、透镜、或二者)组合，以在预期应用中使用。在图3A中，由阵列200的每个LED或pcLED 100发射的光被对应的波导192收集并被导向投影透镜294。例如，投影透镜294可以是菲涅尔透镜。例如，此布置可以适用于在机动车前灯或其他自适应照明源中使用。根据需要或期望，每个像素可以包括任何合适类型或布置的其他初级或次级光学元件。在图3B中，由阵列200的LED和/或pcLED发射的光直接被投影透镜294收集而没有使用介于中间的(intervening)波导。当LED和/或pcLED可以间隔成足够靠近彼此时，此布置可以是特别合适的，并且也可以在机动车前灯以及相机闪光应用或其他照明源中使用。例如，miniLED或microLED显示应用可以使用与图3A-图3B中描绘的光学布置相似的光学布置。一般地，取决于期望的应用，可以将光学元件(初级、次级或两者)的任何合适的布置与本文描述的LED或pcLED组合使用。

尽管图16A和图16B示出了九个pcLED的3×3阵列，但此类阵列可以包括例如以10¹、10²、10³、10⁴或更多个的量级的LED和/或pcLED，例如如图18A中示意性所示。各个LED100(即，像素)在阵列200的平面中可以具有例如小于或等于1毫米(mm)、小于或等于500微米、小于或等于100微米、或者小于或等于50微米的宽度w₁(例如，边长)。阵列200中的LED100可以通过在阵列200的平面中具有例如数百微米、小于或等于100微米、小于或等于50微米、小于或等于20微米、小于或等于10微米、或者小于或等于5微米的宽度w₂的隔道(street)、巷道(lane)或沟槽230彼此隔开。像素间距或间隔D₁是w₁和w₂之和。虽然所图示的示例示出了以对称矩阵布置的矩形像素，但是这些像素和阵列可以具有任何合适的形状或布置，无论是对称的还是不对称的。多个分开的LED阵列可以以任何可应用的格式组合在任何合适的布置中，以形成更大的组合阵列或显示器。

阵列平面中的尺寸w₁(例如边长)小于或等于约0.10毫米的LED通常被称为microLED，并且这种microLED的阵列可以被称为microLED阵列。阵列平面中的尺寸w₁(例如边长)在大约0.10毫米和大约1.0毫米之间的LED通常被称为miniLED，并且这种miniLED的阵列可以被称为miniLED阵列。

LED、miniLED或microLED的阵列，或者此类阵列的各部分，可以形成为分段的单片结构，其中各个LED像素通过沟槽和/或绝缘材料彼此电气隔离。图18B示出了这种分段单片pcLED阵列200的示例的透视图。该阵列中的像素(即，各个半导体LED器件102)被沟槽230分开，该沟槽230被填充以形成n型接触234。单片结构生长或设置在衬底204上。每个像素包括p型接触236、p-GaN半导体层102b、有源区102a、和n-GaN半导体层102c；层102a/102b/102c共同形成半导体LED 102。波长转换材料106可以沉积在半导体层102c(或其他可应用的介于中间的层)上。钝化层232可以形成在沟槽230内，以将n型接触234的至少一部分与半导体的一个或多个层分开。n型接触234、沟槽230内的其他材料、或不同于沟槽230内的材料的材料可以延伸到转换器材料106中，以在像素之间形成完整的或部分的光学隔离屏障220。

图18C为单片管芯和衬底204上的多色磷光体转换LED 100的密排阵列200的示意性截面视图。该侧视图示出了通过金属互连239(例如，金-金互连或附接到铜微柱的焊料)和金属互连238附接到衬底204的GaN LED 102。磷光体像素106位于对应的GaN LED像素102上或上方。半导体LED像素102或磷光体像素106(通常是两者)可以在其侧面涂覆有反射镜或漫射散射层，以形成光学隔离屏障220。在这个示例中，每个磷光体像素106吸收由LED102发射的光(例如UV光)并发射三种不同颜色中的一种，例如，红色磷光体像素106R、绿色磷光体像素106G和蓝色磷光体像素106B(仍然一般或共同称为磷光体像素106)。这种布置可以使得能够将LED阵列200用作彩色显示器。在替代布置(未示出)中，LED可以发射蓝光，磷光体106G和106R可以用于发射绿色和红色输出光，并且磷光体106B可以被省略，使得一些LED 102的直接发射提供蓝色输出光。可以采用许多其他布置，所述许多其他布置采用任何合适或期望数量的LED或pcLED来产生任何合适数量和波长的不同颜色。

LED阵列中的各个LED(像素)可以是单独可寻址的，可以作为阵列中像素的组或子集的一部分而可寻址，或者可以不是可寻址的。因此，对于要求或受益于光分布的细粒度的强度、空间和时间控制的任何应用，发光像素阵列都是有用的。这些应用可以包括但不限于来自像素块或各个像素的所发射光的精确的特殊图案化，在一些实例中包括作为显示器件而形成图像。取决于应用，发射的光可以是光谱上截然不同的、随时间自适应的、和/或环境响应的。发光像素阵列可以以各种强度、空间、或时间图案提供预编程的光分布。发射的光可以至少部分地基于接收的传感器数据并且可以用于光学无线通信。相关联的电子器件和光学器件可以在像素、像素块、或器件级别上截然不同。

图19A和图19B为显示应用中采用的LED阵列200的示例，其中LED显示器包括大量显示像素。在一些示例中(例如，如图19A中)，每个显示像素包括单个半导体LED像素102和对应的单一颜色(红色、绿色或蓝色)的磷光体像素106R、106G或106B。每个显示像素仅提供三种颜色中的一种。在一些示例中(例如，如图19B中)，每个显示像素包括多个半导体LED像素102和多个颜色的多个对应磷光体像素106。在所示的示例中，每个显示像素包括半导体像素102的3×3阵列；那些LED像素中的三个具有红色磷光体像素106R，三个具有绿色磷光体像素106G，并且三个具有蓝色磷光体像素106B。因此，每个显示像素可以产生任何期望的颜色组合。在所示的示例中，不同颜色的磷光体像素106的空间布置在显示像素之间不同；在一些示例(未示出)中，每个显示像素可以具有不同颜色磷光体像素106的相同布置。代替pcLED或除了pcLED之外，图19A和图19B的布置中的任何一个可以适于包括直接发射LED。

如图20A和图20B中所示，pcLED阵列200可以安装在电子板300上，该电子板300包括电源和控制模块302、传感器模块304、和LED附接区域306。电源和控制模块302可以接收来自外部源的电源和控制信号以及来自传感器模块304的信号，电源和控制模块302基于这些信号来控制LED的操作。传感器模块304可以从任何合适的传感器(例如从温度或光传感器)接收信号。替代地，pcLED阵列200可以安装在与电源和控制模块以及传感器模块分开的板(未示出)上。

本发明的发光器件组件10的总体布置在图1中示意性地示出，并且至少包括多个发光元件100的发射器阵列200和聚焦元件40。发射器阵列200的各个元件100可以完全相同或可以彼此不同，可以包括LED或pcLED或两者，并且可以被选择性激活以便从激活的元件100产生选择性发射。聚焦元件40的特征在于有效焦距，并且被定位成使得发射器阵列200和聚焦元件之间的有效距离大于有效焦距。(发射器阵列200的)如此形成的实像88构成了照亮所期望区域或场景的远场照明图案。改变发射器阵列200的激活元件100的子集导致远场照明图案的对应改变。

提供一种本发明的发光器件组件将是合期望的，其以更紧凑的形式提供发光阵列的远场图像，或者其中阵列的光输出的更高份额被引导以形成图像。因此，图2和图3示意性地示出了本发明的发光器件组件10的示例，该发光器件组件10包括发光元件100的发射器阵列200、衬底45、结构化透镜40(上述聚焦元件)和角度滤光器50。发射器阵列200从其发射表面发射输出光，该输出光透过基本上透明的衬底45。该组件还可以包括集光器60(例如，如在图2和3的示例中)，该集光器60是凹面的，并且具有带有开口输出端的收集器腔65。在这样的示例中，发射器阵列200可以位于收集器腔65内，并且衬底45可以定位成跨收集器腔65的开口输出端，使得输出光从开口端离开腔65。填充介质98(通常为环境空气或惰性气体)可以填充发射器阵列200和衬底45之间的体积(在包括集光器60的示例中，由收集器腔65和衬底45封闭)。出射的输出光透过填充介质98和衬底45以传播通过周围介质99(通常是环境空气)。

结构化透镜40形成在衬底45上或衬底45中，并且包括微米或纳米结构化元件，其被布置成使得结构化透镜40的特征在于有效焦距(下文进一步描述)；该有效焦距(例如，在标称输出真空波长λ₀下)小于结构化透镜40和发射器阵列200的发射表面之间的有效距离。角度滤光器50位于衬底45上或衬底45中(如图2中)，或者位于发射器阵列的发射表面上(如图3中)；角度滤光器50表现出依赖于入射角的光学透射，该光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在该截止入射角以上光学透射基本上被阻止(下文进一步描述)。

结构化透镜40对发射器阵列200的远场成像可以导致对应的远场照明图案(例如，图像88)。发射器阵列200的各个元件100的不同子集或者元件100的不同子集的选择性激活可以导致不同的对应远场照明图案。这种能力可以被有利地用于例如响应于迎面而来的车辆或者道路中的弯道或斜坡来改变机动车前灯光束，或者响应于面部识别来改变相机闪光灯以减少或避免红眼，或者用于其他自适应照明应用(例如自适应手电筒)。

在一些示例(例如，图2)中，结构化透镜40和角度滤光器50均位于衬底45上，通常位于衬底45的相应相反表面上或附近。在那些示例中的一些中，结构化透镜40位于衬底45的面向发射器阵列200的表面上，并且角度滤光器50位于衬底45的背离发射器阵列200的表面上。在一些其他示例(例如，图3)中，结构化透镜40位于衬底45的表面上，并且角度滤光器50位于发射器阵列200的发射表面上。

结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42(有时称为“超构透镜(metalens)”)可以包括在衬底45上或衬底45中形成的大量大小和形状合适的凸起、孔、凹陷、内含物或结构，在一些示例中，例如纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、或超构原子或超构分子阵列。那些微米或纳米结构化元件42可以被布置成以便共同地在输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，这导致了结构化透镜40的有效焦距。在一些示例中，为了近似简单的球面透镜，可以采用二次相位函数。在图4A和图4B中示意性地示出了示例相位函数。图5A、图5B和图5C示意性地示出了结构化透镜40的示例，其中纳米或微米结构化元件是位于衬底45的表面上的不同直径的圆柱42。柱42可以延伸到填充介质98或周围介质99中，这取决于衬底45的哪个表面承载柱42。由柱42占据的平均分数面积跨衬底45变化，使得柱共同赋予期望的相位函数和有效焦距。该示例和其他示例在以Venkata Ananth Tamma的名义于2019年4月18日公布的题为“Nanostructured meta-materials and meta-surfaces tocollimate light emissions from LEDs(纳米结构化的超构材料和超构表面校准来自LED的光发射)”的美国专利公布第2019/0113727号(现为美国专利第10996451号)中公开；该公布的申请、授权的专利、和其中引用的参考文献通过引用并入，如同在本文中以其全部内容阐述一样。

在结构化透镜40的一些示例中，结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42可以包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、或超构原子或超构分子阵列中的一种或多种。图11A-图11D中示意性地示出了一些示例。那些元件42可以位于衬底45的表面上或衬底45内。如果位于衬底45的表面上，则元件42可以延伸到填充介质98或周围介质99中，这取决于衬底45的哪个表面承载元件42。无论它们的类型或结构如何，元件42都可以被布置成共同地在输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，这导致结构化透镜的期望有效焦距。在一些示例中，元件42可以采用任何合适的材料以任何合适的方式直接在衬底45上或衬底45中形成、沉积或生长；在其他示例中，元件42可以采用任何合适的材料以任何合适的方式形成为附接或施加到衬底45的表面的单独结构或层。

在一些示例中，结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42可以包括单纳米天线或双纳米天线(即二聚体)的阵列，其可以(i)包括一种或多种天线材料，(ii)相对于标称输出真空波长λ₀成形、定尺寸和隔开，以及(iii)沿衬底表面布置，以便在被输出光照射时再辐射输出光的至少一部分，从而共同导致结构化透镜40的有效焦距。在一些示例中，结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42可以包括部分光子带隙结构，该部分光子带隙结构以一种或多种材料、形态和相对于标称输出真空波长λ₀的间距布置，以便在被输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致结构化透镜40的有效焦距。在一些示例中，结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42可以包括光子晶体，该光子晶体以一种或多种材料、晶体形态和相对于标称输出真空波长λ₀的晶格间距布置，以便在被输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致结构化透镜40的有效焦距。在一些示例中，结构化透镜40的微米或纳米结构化元件42可以包括超构原子或超构分子阵列，该超构原子或超构分子阵列可以(i)包括一种或多种超构材料，(ii)相对于标称输出真空波长λ₀被成形、定尺寸和隔开，以及(iii)沿着衬底布置，以便在被输出光照射时再辐射输出光的至少一部分，从而共同导致结构化透镜的有效焦距。

为了形成期望的照明图案(即图像88)，将结构化透镜40定位成使得发射器阵列200的发射表面与结构化透镜40分开一段距离，该距离大于结构化透镜40的有效焦距。图12A示意性地示出了由发射器阵列200产生的发射图案。图12B是在结构化透镜40和发射器阵列200之间的有效距离大于结构化透镜40的有效焦距的情况下形成的模拟图像88。对应的远场照明图案近似于发射器阵列200的发射图案，从而使得能够控制该照明图案。图12C的模拟图像88来自于将发射器阵列200定位在大约等于有效焦距的有效距离处；图12C的图像88正开始散焦，从而降低了远场照明图案和发射器阵列200的发射图案之间的对应性。图12D的模拟照明图案由小于将结构化透镜40与发射器阵列200分开的有效焦距产生；没有形成实像，并且通过改变阵列200的发射图案对照明图案的控制很少或没有意义。

为提供对远场照明图案的控制，发射器阵列200和结构化透镜40之间的有效距离应大于结构化透镜40的有效焦距。关于组件10的聚焦属性，“有效距离”是实际距离除以介于中间的介质98的折射率。对于阵列200和透镜40之间的给定实际距离，有效距离随着折射率的降低而增加，并且当填充介质98具有大约为一的折射率时是最大值。因此，为了提供最紧凑的组件10，在一些示例中，环境空气或惰性气体或真空可以用作填充介质98。图13A示意性地示出了由发射器阵列200产生的发射图案。图13B是在阵列200和透镜40之间的实际间隔仅比焦距稍长并且使用空气作为填充介质98的情况下形成的模拟图像88。图13C的模拟照明图案由相同的间隔产生，但是使用硅树脂作为填充介质98。有效焦距现在大于阵列200和透镜40之间的有效距离，没有形成实像，并且通过改变阵列200的发射图案对照明图案的控制很少或没有意义。

在其他示例中(例如，在紧凑性不是如此严格的要求的情况下)，可以采用基本上透明的液体或固体填充介质98，其中透镜40和阵列200之间的间隔对应地较大。在那些示例中的一些中，可以采用硅树脂填充介质98。在一些实例中，较高折射率的填充介质98对于从发射器阵列200提取输出光可以是有利的。

上述结构化透镜40的位置和布置使得期望的照明图案能够被生成，并被投影到区域或场景上。如上所述，许多LED和pcLED的典型Lambertian输出轮廓(例如，图6A的角度轮廓71)导致总光学输出功率中不可接受的高份额以不被透镜40收集的角度传播。本发明的发光器件组件10的角度滤光器50导致更窄的发射轮廓(例如，图6A的角度轮廓72)，这增加了由结构化透镜40收集并投影到远场照明图案中的LED输出光的份额。

角度滤光器50被布置为表现出输出光的依赖于入射角的光学透射，该光学透射随着入射角的增大而减小，或具有截止入射角，在该截止入射角以上光学透射基本上被阻止。角度滤光器50可以包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、超构原子或超构分子阵列、或者多层电介质薄膜。图11A至图11D中示意性地示出了可以采用的纳米或微米结构化元件52的示例。注意，元件42和52可以从一些相同的通用元件类型之中选择，但是在给定的组件10中，通常将在类型、组分或布置方面彼此不同。如果角度滤光器50位于衬底45上(例如，如图2中)，则元件52可以延伸到周围介质99或填充介质98中，这取决于衬底45的哪个表面承载元件52。如果角度滤光器50位于发射器阵列200上(例如，如图3中)，那么元件52可以从阵列200的表面延伸到填充介质98中(未示出)。无论它们的类型或结构如何，元件52可以被布置成在输出光上赋予期望的依赖于入射角的透射。在一些示例中，元件52可以采用任何合适的材料以任何合适的方式直接在衬底45上或衬底45中或在发射器阵列200上形成、沉积或生长；在其他示例中，元件52可以采用任何合适的材料以任何合适的方式形成为附接或施加到衬底45或发射器阵列200的表面的单独结构或层。

无论角度滤光器50采用何种结构布置或位置，在一些示例中，依赖于入射角的透射可以由半透射角Θ_TH(即，通过光逸出表面40的透射下降至约50％时的入射角)表征。代替地或另外，在一些示例中，依赖于入射角的透射可以由截止角Θ_C(即，在其以上没有透射或只有可忽略的透射穿过光逸出表面40的入射角)表征。在图6B和图7A-图7C中示出了合适的依赖于入射角的透射(或反射)的一些示例，其中角度Θ_TH和Θ_C被标记。通常，对于给定的发光器件20和集光器30，减小角度滤光器50的半透射角Θ_TH或截止角Θ_C导致来自发射器阵列200的输出光投影到图像88上的份额增加。依赖于入射角的透射和反射的另一个示例分别在图8A和图8B的曲线图中示出。在一些示例中，光逸出表面40的依赖于入射角的透射的特征在于小于约60度、小于约45度、小于约30度、小于约15度或甚至更小的半透射角Θ_TH。

图6C和图6D为与当入射到纳米或微米结构化角度滤光器50(例如，布置为部分光子带隙结构)的一些示例上时的光的行为对应的曲线图。在图6D中，W表示光学角频率，并且K表示面内波矢。光线161是基于角度滤光器50的配置确定的，并且表示可以穿过角度滤光器50的光和不能穿过角度滤光器50的光之间的边界。此外，限制低于给定角频率W的光允许发射器阵列200产生期望的辐射发射分布图案72，如图6A或图10B所示(相对于没有角度滤光器50的图6A和图10A的分布71)。如图6C所示，透射光在Θ_TH以下接近单位一(unity)时入射到角度滤光器50上，并且在Θ_TH之后由于达到图6D中所示的对应的角截止K_TH而下降到零。因此，以K>K_TH发射的光可以穿过角度滤光器50。

角度滤光器50的纳米天线52的一些示例可以包括一种或多种天线材料(例如，硅或TiO₂)，并且可以相对于标称输出真空波长λ₀成形(例如，圆柱形)、定尺寸(例如，在λ₀＝450nm的情况下，对于硅，半径为56nm并且高度为150nm；在λ₀＝450nm的情况下，对于TiO₂，半径为56nm并且高度为250nm)，沿着光逸出表面40(例如，六边形网格)布置，以及相对于标称输出真空波长λ₀间隔开(例如，对于λ₀＝450nm，网格间距为200nm)，以便在被器件输出光照射时再辐射器件输出光的至少一部分，从而共同导致期望的或指定的依赖于入射角的透射。可以采用其他尺寸、材料、天线形状(例如，圆柱形、截头圆锥形、水平二聚体、垂直二聚体、同轴二聚体等等；如例如图11A-图11D中)、尺寸、间距和布置(例如，矩形网格、六边形网格、其他网格，或者不规则、非周期性或随机布置)。

在一些示例中，纳米天线结构52可以布置成六边形晶格或矩形晶格。晶格周期可以是亚波长或大于标称波长λ₀。可以选择纳米天线来满足第一Kerker条件，使得磁偶极子辐射和电偶极子辐射在反向方向上抵消，从而产生大的前向散射(也称为惠更斯超构原子)。在包括纳米圆柱垂直二聚体和纳米圆柱水平二聚体的示例中，超构原子或纳米天线内的干涉模式被认为使得能够通过操纵结构参数来控制散射模式。

通常，需要计算或计算机模拟来至少实现纳米天线阵列的初步设计；在一些实例中，通过制作和表征测试阵列，通过各种参数的迭代实验优化，可以实现最终设计。注意，不必完全优化的阵列仍然可以提供(足以提供可接受的窄发射角分布72的)依赖于入射角的透射；这种部分优化的阵列落入本公开或所附权利要求的范围内。合适的纳米天线阵列的示例可以在例如以下中找到：(i)以Antonio Lopez-Julia和Venkata Ananth Tamma的名义于2020年6月25日公布的题为“High brightness directional direct emitter withphotonic filter of angular momentum(具有角动量的光子滤光器的高亮度定向直接发射器)”的美国专利公布第2020/0200955号(现为美国专利第11041983号)，(ii)以AntonioLopez-Julia和Venkata Ananth Tamma的名义于2021年9月16日公布的题为“Light-emitting device assembly with light redirection or incidence-angle-dependenttransmission through an escape surface(具有通过逸出表面的光重定向或依赖入射角的透射的发光器件组件)”的美国专利公布第20210285625号，(iii)Li等人的“All-Dielectric Antenna Wavelength Router with Bidirectional Scattering ofVisibleLight,”Nano Letters,164396(2016)，以及(iv)Shibanuma等人的“ExperimentalDemonstration ofTunable Directional Scattering of Visible Light from All-Dielectric Asymmetric Dimers(对来自全介质不对称二聚体的可见光的可调谐定向散射的实验演示)”ACSPhotonics,4489(2017)；这些中的每一篇都通过引用并入，如同在本文中完全阐述一样。

在一些示例中，除了依赖入射角的透射之外，角度滤光器50可以进一步布置成导致输出光的透射重定向，从而以小于其入射角或折射角的角度传播(例如，如图9A和图9B中)。在图9A中，角度滤光器50形成在发射器阵列200上(直接在半导体LED 102上或磷光体106上，如果存在的话)。透射光以小于折射角Θ_R的角度在填充介质98中传播。在图9B中，角度滤光器50形成在衬底50上。透射光以小于入射角Θ_IN的角度在填充介质98中传播(假设填充介质98和周围介质99具有相同的折射率)。在一些示例中，可以采用元件52的不同对应集合来提供角度滤光器50的依赖于入射角的透射和透射重定向。在其他示例中，元件52的单个集合提供角度滤光器50的依赖于入射角的透射和透射重定向两者。

在一些示例中，角度滤光器50可以包括部分光子带隙结构，该部分光子带隙结构以一种或多种材料、形态和相对于标称输出真空波长λ₀的间距布置，以便在被器件输出光照射时重定向器件输出光的至少一部分，从而产生期望的或指定的依赖于入射角的透射或透射重定向。在一些示例中，角度滤光器50可以包括光子晶体，该光子晶体以一种或多种材料、晶体形态和相对于标称输出真空波长λ₀的晶格间距布置，以便在被器件输出光照射时重定向器件输出光的至少一部分，从而导致期望的或指定的依赖于入射角的透射或透射重定向。在一些示例中，角度滤光器50可以包括超构原子或超构分子阵列，该超构原子或超构分子阵列可以包括一种或多种超构材料，并且可以相对于标称输出真空波长λ₀来成形、定尺寸，沿着角度滤光器50布置，并且相对于标称输出真空波长λ₀间隔开，以便在被器件输出光照射时再辐射器件输出光的至少一部分，从而共同导致期望的或指定的依赖于入射角的透射或透射重定向。在那些示例的任何一个中，可以以类似于上述方式的方式，采用计算或模拟，然后进行迭代实验优化(或至少部分优化)。

在一些示例中，角度滤光器50可以包括多层电介质薄膜，其结合了两种或更多种材料，所述两种或更多种材料的特征在于对应的折射率并具有相对于标称输出真空波长λ₀的层厚，从而表现出期望的或指定的依赖于入射角的透射。例如，已知传统薄膜短通(SP)或带通(BP)滤光器的透射光谱随着入射角的增加而向更短的波长偏移；非透射光经历镜面反射。合适的SP或BP滤光器可以被设计成以垂直入射并且在关于垂直入射的指定角度范围内透射器件输出光，但是反射指定角度范围之外的器件输出光，对于该指定角度范围，滤光器的依赖于波长的透射光谱已经充分蓝移。SP或BP滤光器通常在一些小角度范围内在透射和反射行为之间转变；该转变的陡度取决于具体的滤光器设计，并且在一些示例中，可以在某种程度上定制，以提供期望的依赖于入射角的透射。可以采用基于多层电介质薄膜的其他合适的布置。在那些示例中的一些中，多层薄膜可以被布置成以便在多层电介质薄膜中的各层之间形成光学谐振器。相对于标称输出真空波长λ₀来调节这种谐振器的谐振波长可以用来至少部分地确定多层薄膜的依赖于入射角的透射。

集光器60(如果存在)可以按任何合适的方式布置，并且可以包括任何一种或多种合适的材料。集光器30可以实现为在实心构件中形成的凹面(如附图中所示)，或者可以实现为薄的凹面壳体。集光器60的内表面可以在集光器内重定向入射在集光器腔65内的内表面上的光。集光器30的内表面31可以包括任何一种或多种合适的材料。在一些示例中，收集器腔65的内表面包括镜面反射器或漫散射器，诸如金属表面、金属涂层或电介质涂层(例如，多层电介质薄膜)。在一些示例中，收集器腔内表面可以表现出大于约90％、大于约95％、大于约97％、大于约98％或大于约99％的反射率或散射效率。在一些示例中，收集器腔65的内表面可以包括以下中的一个或多个：(i)纳米天线阵列，(ii)部分光子带隙结构，(iii)光子晶体，或(iv)超构原子或超构分子阵列。上面描述了这种结构，尽管设计供在收集器腔内表面和结构化透镜40或角度滤光器50上使用的这种结构通常会因其不同的性能要求而彼此不同。任何合适的端部开口的形状都可以用于收集器腔65。通常，采用从开口端朝向发射器阵列200逐渐变细的形状。在一些示例中，集光器30的内表面31的至少一部分可以成形为(i)圆锥或椭圆锥的平截头体，(ii)(具有任何合适或期望数量的侧面的)棱锥的平截头体，或者(iii)球体、扁球体、椭球体、抛物面体、双曲面体或卵形体的一部分。

在图2的示例中，一些输出光到达收集器腔65的内表面，并被反射或散射。该光中的一些最终通过衬底45射出，并且通常会模糊或以其他方式降低由结构化透镜40形成的发射器阵列的图像。已经观察到，在高达15％的总输出是这种重定向的光的情况下，投影图像的退化保持为可接受地低。由于角度滤光器50在大入射角时减少或消除了透射，角度滤光器50确保了这种重定向光中的至少一些以及在一些实例中这种重定向光中的大多数朝着期望的被照明区域传播。

在图3的示例中，可以减少收集器腔65内重定向的光的相对量。在角度滤光器50位于发射器阵列的输出表面上的情况下，大部分输出光可以被定向为穿过结构化透镜40，以投影到被照明区域上。图14A和图14B的曲线图示出了组件10的行为作为离开发射器阵列200的输出光相对于透镜40的NA的角度限制的函数。图14A示出了随着阵列输出的角度限制朝着透镜40的NA减小，总效率增加。图14B示出了随着阵列输出的角度限制朝着透镜40的NA减小，对由收集器腔65重定向的光的总输出的贡献减小。

在一些示例中，结构化透镜40的有效焦距可以小于约2.0mm、小于约1.5mm、小于约1.0mm或甚至更小。在一些示例中，结构化透镜40可以由大于约0.5、大于约0.7、大于约1.0或甚至更大的数值孔径NA表征。在一些示例中，结构化透镜40的横向范围可以大于发射器阵列200的横向范围的大约1.5倍、2.0倍或3.0倍或5.0倍。

在各种示例中，标称输出真空波长λ₀可以大于约0.20μm，大于约0.4μm，或大于约0.8μm；在各种示例中，标称输出真空波长λ₀可以小于约10μm，小于约2.5μm，或小于约1.0μm。发光器件20可以具有任何合适的类型或布置，包括上述那些。在许多示例中，可以采用扩展的非相干光源。常见的实施方式包括发光二极管(LED)阵列作为发射器阵列200；合适的LED材料的示例可以包括一种或多种掺杂或未掺杂的III-V族、II-VI族或IV族半导体材料或合金或其混合物。发射器阵列还可以包括一种或多种波长转换磷光体。为了本公开和所附权利要求的目的，“处于标称真空波长λ₀”意味着器件输出光的波长光谱包括包含λ₀的波长范围。在许多示例中，器件输出光在λ₀的约±5nm或约±10nm内；在其他示例中，器件输出光的光谱宽度可以大于λ₀的约±5nm或约±10nm。

操作本文公开或要求保护的发光器件组件10中的任何一个的发明方法包括：(A)选择性激活发射器阵列200的发光元件100的第一子集，使得第一子集的被激活元件100从发射器阵列200的发射表面发射输出光，以及使得输出光穿过角度滤光器50并穿过衬底45；以及(B)定位组件10，使得与发光元件100的第一子集对应并且由结构化透镜40对阵列200的远场成像产生的第一远场照明图案照亮期望的区域或场景。该方法还可以包括：(C)选择性激活发射器阵列200的不同于第一子集的发光元件100的第二子集，使得第二子集的被激活元件100从发射器阵列200的发射表面发射输出光，以及使得输出光穿过角度滤光器50并穿过衬底45；以及(D)定位组件10，使得与发光元件的第二子集对应并且由结构化透镜40对阵列200的远场成像产生的第二远场照明图案照亮期望的区域或场景，第二远场照明图案不同于第一远场照明图案。

制造本文公开或要求保护的发光器件组件10中的任何一个的发明方法包括：(A)定位和布置发射器阵列200和衬底45，使得由发射器阵列200发射的输出光透过衬底45；(B)将结构化透镜定位在衬底上或衬底中；以及(C)将角度滤光器50定位在衬底45上或衬底45中，或者定位在发射器阵列200的发射表面上。

除前述内容外，以下示例落在本公开或所附权利要求的范围内。

示例1。一种发光器件组件，包括：(a)多个发光元件的发射器阵列，该发射器阵列被布置成以便从该发射器阵列的发射表面发射输出光，该发射器阵列被构造和连接成以便使得能够选择性激活该发射器阵列的各个元件或该发射器阵列的元件的不同子集，并对应地选择性地从该发射器阵列的各个元件或该发射器阵列的元件的不同子集发射输出光；(b)基本上透明的衬底，其被定位成使得输出光透过该衬底；(c)结构化透镜，其位于衬底上或衬底中，该衬底在输出光的路径中，该结构化透镜包括微米或纳米结构化元件，所述微米或纳米结构化元件被布置成使得结构化透镜的特征在于有效焦距小于结构化透镜和发射器阵列的发射表面之间的有效距离；以及(d)角度滤光器，其位于输出光的路径中，在衬底上或衬底中或者在发射器阵列的发射表面上，该角度滤光器被布置成以便表现出输出光的依赖于入射角的光学透射，该光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在该截止入射角以上光学透射基本上被阻止。

示例2。根据示例1所述的组件，其中，所述阵列和所述结构化透镜被布置成使得通过所述结构化透镜对所述发射器阵列的远场成像导致对应的远场照明图案，并且使得选择性激活所述阵列的元件的不同子集导致不同的对应远场照明图案。

示例3。根据示例1或2中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜位于所述衬底的表面上或附近。

示例4。根据示例1至3中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜位于所述衬底的面向所述发射器阵列的表面上或附近，并且所述角度滤光器位于所述衬底的与所述结构化透镜相反的表面上或附近。

示例5。根据示例1至3中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器位于所述衬底的面向所述发射器阵列的表面上或附近，并且所述结构化透镜位于所述衬底的与所述角度滤光器相反的表面上或附近。

示例6。根据示例1至3中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器位于所述发射器阵列的发射表面上。

示例7。根据示例1至6中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括形成在所述衬底上或衬底中的大量大小和形状合适的凸起、孔、凹陷、内含物或结构，所述微米或纳米结构化元件被布置成以便共同在输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，该相位延迟导致所述结构化透镜的有效焦距。

示例8。根据示例1至7中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、或超构原子或超构分子阵列，所述微米或纳米结构化元件被布置成以便共同在输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，该相位延迟导致所述结构化透镜的有效焦距。

示例9。根据示例8所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括单纳米天线或双纳米天线(即，二聚体)的阵列，其包括一种或多种天线材料，相对于标称输出真空波长λ₀被成形、定尺寸和隔开，并且沿着衬底表面布置，以便在被输出光照射时再辐射输出光的至少一部分，从而共同导致结构化透镜的有效焦距。

示例10。根据示例8或9中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括部分光子带隙结构，该部分光子带隙结构以一种或多种材料、形态和相对于标称输出真空波长λ₀的间距布置，以便在被输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致所述结构化透镜的有效焦距。

示例11。根据示例8至10中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括光子晶体，该光子晶体以一种或多种材料、晶体形态和相对于标称输出真空波长λ₀的晶格间距布置，以便在被输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致所述结构化透镜的有效焦距。

示例12。根据示例8至11中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括超构原子或超构分子阵列，所述超构原子或超构分子包括一种或多种超构材料，相对于标称输出真空波长λ₀被成形、定尺寸和隔开，并且沿着所述衬底布置，以便在被所述输出光照射时再辐射所述输出光的至少一部分，从而共同导致所述结构化透镜的有效焦距。

示例13。根据示例1至12中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器被布置成以便导致输出光的透射重定向，从而以小于对应入射角或折射角的角度传播。

示例14。根据示例1至13中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、超构原子或超构分子阵列、或多层电介质薄膜。

示例15。根据示例14所述的组件，其中，所述角度滤光器包括单纳米天线或双纳米天线(即二聚体)的阵列，其包括一种或多种天线材料，相对于标称输出真空波长λ₀被成形、定尺寸和隔开，并且沿着角度滤光器布置，以便在被输出光照射时再辐射输出光的至少一部分，从而共同导致依赖于入射角的光学透射或透射重定向。

示例16。根据示例14或15中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器包括部分光子带隙结构，该部分光子带隙结构以一种或多种材料、形态和相对于标称输出真空波长λ₀的间距布置，以便在被所述输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致依赖于入射角的光学透射或透射重定向。

示例17。根据示例14至16中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器包括光子晶体，该光子晶体以一种或多种材料、晶体形态和相对于标称输出真空波长λ₀的晶格间距布置，以便在被器件输出光照射时重定向所述器件输出光的至少一部分，从而导致依赖于入射角的光学透射或透射重定向。

示例18。根据示例14至17中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器包括包含一种或多种超构材料的超构原子或超构分子阵列，所述超构原子或超构分子相对于标称输出真空波长λ₀被成形、定尺寸和隔开，并且沿着所述角度滤光器布置，以便在被所述输出光照射时再辐射所述输出光的至少一部分，从而共同导致依赖于入射角的光学透射或透射重定向。

示例19。根据示例14至18中任一项所述的组件，其中，所述角度滤光器包括多层电介质薄膜，所述多层电介质薄膜包括两种或更多种材料，所述两种或更多种材料的特征在于对应的折射率并具有相对于标称输出真空波长λ₀的层厚，以便在被输出光照射时重定向输出光的至少一部分，从而导致依赖于入射角的光学透射。

示例20。根据示例19所述的组件，还包括在多层电介质薄膜中的各层之间形成的光学谐振器，其中光学谐振器的特征在于相对于标称输出真空波长λ₀的谐振波长，其至少部分地导致依赖于入射角的光学透射。

示例21。根据示例1至20中任一项所述的组件，其中，标称输出真空波长λ₀大于约0.20μm、大于约0.4μm、大于约0.8μm、小于约10μm、小于约2.5μm或小于约1.0μm。

示例22。根据示例1至21中任一项所述的组件，其中角度滤光器的依赖于入射角的透射的特征在于小于约60度、小于约45度、小于约30度、小于约15度或甚至更小的半透射角Θ_TH。

示例23。根据示例1至22中任一项所述的组件，其中角度滤光器的依赖于入射角的透射的特征在于小于约60度、小于约45度、小于约30度、小于约15度或甚至更小的截止角Θ_C。

示例24。根据示例1至23中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的有效焦距小于约2.0mm、小于约1.5mm或小于约1.0mm。

示例25。根据示例1至24中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的特征在于数值孔径NA大于约0.5、大于约0.7或大于约1.0。

示例26。根据示例1至25中任一项所述的组件，其中，所述结构化透镜的横向范围大于所述发光元件阵列的横向范围的约1.5倍、2.0倍或3.0倍或5.0倍。

示例27。根据示例1至26中任一项所述的组件，还包括凹面集光器，所述凹面集光器具有带有开口输出端的收集器腔，所述基本上透明的衬底跨所述收集器腔的开口端定位，使得输出光透过所述衬底。

示例28。根据示例27所述的组件，其中，所述收集器腔包括光学反射或漫散射内表面。

示例29。根据示例28所述的组件，其中，所述内表面表现出大于约90％、大于约95％、大于约97％、大于约98％或大于约99％的反射率或散射效率。

示例30。根据示例27至29中任一项所述的组件，其中，所述收集器腔的内表面的至少一部分成形为(i)圆锥或椭圆锥的平截头体，(ii)棱锥的平截头体，或(iii)球体、扁球体、椭球体、抛物面体、双曲面体或卵形体的一部分。

示例31。根据示例1至30中任一项所述的组件，其中，所述发射器阵列的发射表面和所述衬底之间的体积填充有环境空气或惰性气体，或者被抽空。

示例32。根据示例1至30中任一项所述的组件，其中，所述发射器阵列的发射表面和所述衬底收集器腔之间的体积填充有基本上透明的液体或固体填充介质。

示例33。根据示例32所述的组件，其中填充介质包括以下之中的一种或多种材料：掺杂或未掺杂的硅树脂，或一种或多种掺杂或未掺杂的聚合物。

示例34。根据示例1至33中任一项所述的组件，其中，所述发射器阵列的发射表面和所述衬底之间的体积至少部分填充有与周围介质相同的介质。

示例35。根据示例1至34中任一项所述的组件，其中，所述发光元件阵列是半导体发光二极管阵列。

示例36。根据示例35所述的组件，其中半导体发光二极管包括一种或多种掺杂或未掺杂的III-V族、II-VI族或IV族半导体材料或合金或其混合物。

示例37。根据示例35或36中任一项所述的组件，其中一个或多个或所有半导体发光二极管包括一个或多个对应的波长转换结构。

示例38。根据示例1至37中任一项所述的组件，所述阵列中的每个发光元件可独立于所述阵列的所有其他发光元件操作。

示例39。根据示例1至38中任一项所述的组件，其中发光元件阵列是3×3阵列、5×5阵列、7×7阵列或10×10阵列。

示例40。根据示例1至38中任一项所述的组件，其中发光元件阵列包括至少10²、10³、10⁴、10⁵或10⁶个发光元件。

示例41。根据示例1至40中任一项所述的组件，所述阵列的发光元件的间距小于1.0mm、小于0.50mm、小于0.33mm、小于0.20mm、小于0.10mm、小于0.08mm、小于0.05mm、小于0.033mm或小于0.020mm。

示例42。根据示例1至41中任一项所述的组件，像素元件对从相邻发光元件发射的光表现出大于5:1、大于10:1、大于20:1、大于50:1、大于100:1或大于300:1的对比度。

示例43。根据示例1至42中任一项所述的组件，其中，所述衬底包括以下之中的一种或多种材料：掺杂或未掺杂的硅；一种或多种掺杂或未掺杂的III-V族、II-VI族或IV族半导体；掺杂或未掺杂的氧化硅、氮化硅或氧氮化硅；一种或多种掺杂或未掺杂的金属氧化物、氮化物或氮氧化物；一种或多种光学玻璃；或者一种或多种掺杂或未掺杂的聚合物。

示例44。根据示例1至43中任一项所述的组件，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括以下之中的一种或多种材料：一种或多种金属或金属合金；掺杂或未掺杂的硅；一种或多种掺杂或未掺杂的III-V族、II-VI族或IV族半导体；掺杂或未掺杂的氧化硅、氮化硅或氧氮化硅；一种或多种掺杂或未掺杂的金属氧化物、氮化物或氮氧化物；一种或多种掺杂或未掺杂的半导体氧化物、氮化物或氮氧化物；一种或多种光学玻璃；或者一种或多种掺杂或未掺杂的聚合物。

示例45。根据示例1至44中任一项所述的组件，所述角度滤光器包括以下之中的一种或多种材料：一种或多种金属或金属合金；掺杂或未掺杂的硅；一种或多种掺杂或未掺杂的III-V族、II-VI族或IV族半导体；掺杂或未掺杂的氧化硅、氮化硅或氧氮化硅；一种或多种掺杂或未掺杂的金属氧化物、氮化物或氮氧化物；一种或多种掺杂或未掺杂的半导体氧化物、氮化物或氮氧化物；一种或多种光学玻璃；或者一种或多种掺杂或未掺杂的聚合物。

示例46。一种用于操作根据示例1至45中任一项所述的发光器件组件的方法，该方法包括：(A)选择性激活发射器阵列的发光元件的第一子集，使得第一子集的被激活元件从发射器阵列的发射表面发射输出光，使得输出光穿过角度滤光器并穿过衬底；以及(B)定位该组件，使得与发光元件的第一子集对应并且由结构化透镜对阵列的远场成像产生的第一远场照明图案照亮期望的区域或场景。

示例47。根据示例46所述的方法，还包括：(C)选择性激活发射器阵列的发光元件的不同于第一子集的第二子集，使得第二子集的被激活元件从发射器阵列的发射表面发射输出光，使得输出光穿过角度滤光器并穿过衬底；以及(D)定位组件10，使得与发光元件的第二子集对应并且由结构化透镜40对阵列200的远场成像产生的第二远场照明图案照亮期望的区域或场景，第二远场照明图案不同于第一远场照明图案。

示例48。一种用于制造根据示例1至45中任一项所述的发光器件组件的方法，该方法包括：(A)将发射器阵列和衬底布置成衬底在输出光的路径中；(B)将结构化透镜定位在衬底上或衬底中；以及(C)将角度滤光器定位在衬底上或衬底中或者在发射器阵列的发射表面上。

意图是所公开的示例装置和方法的等同物应当落入本公开或所附权利要求的范围内。意图是所公开的示例装置和方法及其等同物可以被修改，同时保持在本公开或所附权利要求的范围内。

在前述具体实施方式中，出于精简公开内容的目的，可以将若干示例中的各种特征组合在一起。这种公开的方法不应被解释为反映以下意图：任何要求保护的实施例需要比对应权利要求中明确列举的更多的特征。反而，如所附权利要求所反映的，发明主题可以在于(lie in)少于单个公开的示例的所有特征。因此，本公开应当被解释为隐含地公开了具有一个或多个特征的任何合适子集的任何实施例，这些特征在本申请中被示出、描述或要求保护，所述任何合适子集包括可能未在本文中明确公开的那些子集。特征的“合适”子集仅包括相对于该子集的任何其他特征既不不兼容也不互斥的特征。因此，所附权利要求由此并入具体实施方式中，其中每个权利要求本身作为单独公开的示例。此外，所附从属权利要求中的每一个应当被解释为仅仅是为了通过所述将权利要求并入具体实施方式中进行公开的目的，就好像以多个从属形式写成并且从属于与其不矛盾的所有前述权利要求。还应注意，所附权利要求的累积范围可以但不一定涵盖本申请中公开的全部主题。

以下解释应当适用于本公开和所附权利要求的目的。冠词“一个”应被解释为“一个或多个”，除非“仅一个”、“单个”或其他类似的限制在特定上下文中被明确陈述或隐含；类似地，冠词“该”应被解释为“……中的一个或多个”，除非“……中仅一个”、“……中的单个”或其他类似的限制在特定的上下文中被明确地陈述或隐含。连词“或”应被解释为包含性的(例如，“狗或猫”将被解释为“狗、或猫、或两者”)；例如，“狗、猫、或老鼠”将被解释为“狗、或猫、或老鼠、或任何两者、或所有三者”)，除非：(i)它以其他方式明确陈述，例如，通过使用“或…或…”、“……中仅一个”或类似的语言；或者(ii)所列出的替代方案中的两个或更多个在特定上下文中互斥，在该情况下，“或”将仅涵盖涉及非互斥替代方案的那些组合。类似地，“狗或猫中的一只或多只”将被解释为包括(i)一只或多只狗，没有任何猫，(ii)一只或多只猫，没有任何狗，或(iii)一只或多只狗和一只或多只猫，除非以其他方式明确陈述或者替代物被理解或公开(隐含地或明确地)为互斥的或不相容的。类似地，“狗、猫或老鼠中的一只或多只”将被解释为(i)一只或多只狗，没有任何猫或老鼠，(ii)一只或多只猫，没有任何狗或老鼠，(iii)一只或多只老鼠，没有任何狗或猫，(iv)一只或多只狗以及一只或多只猫，没有任何老鼠，(v)一只或多只狗以及一只或多只老鼠，没有任何猫，(vi)一只或多只猫以及一只或多只老鼠，没有任何狗，或(vii)一只或多只狗、一只或多只猫、以及一只或多只老鼠。“狗、猫或老鼠中的两只或更多只”将被解释为(i)一只或多只狗以及一只或多只猫，没有任何老鼠，(ii)一只或多只狗以及一只或多只老鼠，没有任何猫，(iii)一只或多只猫以及一只或多只老鼠，没有任何狗，或(iv)一只或多只狗、一只或多只猫、以及一只或多只老鼠；“三只或更多只”、“四只或更多只”等等将被类似地解释。对于前述叙述中的任何一个，如果所包括的替代方案的任何对或组合被理解或公开(隐含地或明确地)为不相容的或互斥的，则这样的对或组合被理解为被排除在对应的叙述之外。为了本公开和所附权利要求的目的，除非另有明确陈述，否则词语“包括”、“包含”、“具有”及其变体无论在何处出现都应被理解为开放式术语，其含义如同在其每个实例之后附加了诸如“至少”之类的短语一样。

出于本公开或所附权利要求的目的，当列举数值时(具有或不具有诸如“大约”、“约等于”、“基本上等于”、“大于约”、“小于约”等的术语)，应当适用与测量精度、舍入误差和有效数字相关的标准惯例，除非明确阐明了不同的解释。对于由诸如“基本上防止”、“基本上不存在”、“基本上消除”、“大约等于零”、“可忽略的”等等短语描述的零量，每个这样的短语应该表示以下情况：其中所讨论的量已经减少或缩小到这样的程度，使得在所公开或要求保护的设备或方法的预期操作或用途的上下文中，为了实践目的，该设备或方法的总体行为或性能与实际上已经完全移除零量、精确等于零、或以其他方式精确为零量时将已经发生的行为或性能没有区别。

出于本公开和所附权利要求的目的，实施例、实例或权利要求的元件、步骤、限制或其他部分的任何标注(例如，第一、第二、第三等，(a)、(b)、(c)等，或(i)、(ii)、(iii)等)仅仅是为了清晰的目的，并且不应当被解释为暗示如此标注的部分的任何种类的排序或优先顺序。如果任何这样的排序或优先顺序是有意的，则它将在实施例、示例或权利要求中明确列举，或者在一些实例中，基于实施例、示例或权利要求的具体内容，它将是隐含的或固有的。在所附权利要求中，如果期望在设备权利要求中援引35USC§112(f)的规定，那么词语“装置”将出现在该设备权利要求中。如果期望在方法权利要求中援引那些规定，则词语“用于……的步骤”将出现在该方法权利要求中。反之，如果词语“装置”或“用于……的步骤”没有出现在权利要求中，那么35USC§112(f)的规定不旨在被援引用于该权利要求。

如果任何一种或多种公开内容通过引用并入本文，且此类并入的公开内容与本公开部分或全部冲突、或者与本公开在范围上不同，那么对于冲突的程度、更广泛的公开内容、或更广泛的术语定义，以本公开为准。如果此类并入的公开内容部分或全部相互冲突，那么对于冲突的程度，以较晚日期的公开为准。

按照需要提供了摘要，以帮助在专利文献内搜索具体主题的那些人。然而，摘要不旨在暗示任何特定权利要求一定涵盖其中所列举的任何元件、特征或限制。由每个权利要求所涵盖的主题的范围应该仅由该权利要求的列举来确定。

Claims (20)

1.一种发光器件组件，包括：

多个发光元件的发射器阵列，其被布置成以便从发射器阵列的发射表面发射输出光，所述发射器阵列被构造和连接成以便使得能够选择性激活所述发射器阵列的各个元件或所述发射器阵列的元件的不同子集，并对应地选择性地从所述发射器阵列的各个元件或所述发射器阵列的元件的不同子集发射输出光；

基本上透明的衬底，其被定位成使得所述输出光透过所述衬底；

结构化透镜，其位于所述衬底上或所述衬底中，所述衬底在所述输出光的路径中，所述结构化透镜包括微米或纳米结构化元件，所述微米或纳米结构化元件被布置成使得所述结构化透镜的特征在于有效焦距小于所述结构化透镜和所述发射器阵列的发射表面之间的有效距离；和

角度滤光器，其位于所述输出光的路径中的所述衬底上或所述衬底中、或者位于所述发射器阵列的发射表面上，所述角度滤光器被布置成以便表现出所述输出光的依赖于入射角的光学透射，所述光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在所述截止入射角以上光学透射基本上被阻止。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述阵列和所述结构化透镜被布置成使得通过所述结构化透镜对所述发射器阵列的远场成像导致对应的远场照明图案，并且使得选择性激活所述发射器阵列的元件的不同子集导致不同的对应远场照明图案。

3.一种结合了根据权利要求2所述的组件的光学装置，所述光学装置被布置为自适应机动车前灯、自适应手电筒或自适应相机闪光灯。

4.根据权利要求1所述的组件，发光元件阵列包括半导体发光二极管阵列。

5.根据权利要求4所述的组件，所述阵列的发光元件的间距小于0.10mm。

6.根据权利要求5所述的组件，所述阵列的发光元件对从相邻发光元件发射的输出光表现出大于5:1的对比度。

7.根据权利要求4所述的组件，一个或多个或所有发光二极管包括一个或多个对应的波长转换元件。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述角度滤光器位于所述衬底的与所述结构化透镜相反的表面上或附近。

9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述角度滤光器位于所述发射器阵列的发射表面上。

10.根据权利要求1所述的组件，还包括凹面集光器，所述凹面集光器具有带有开口输出端的收集器腔，所述基本上透明的衬底跨所述收集器腔的开口端定位，使得所述输出光透过所述衬底。

11.根据权利要求1所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括形成在所述衬底上或所述衬底中的大量大小和形状合适的凸起、孔、凹陷、内含物或结构，所述微米或纳米结构化元件被布置成以便共同在所述输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，所述相位延迟导致所述结构化透镜的有效焦距。

12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述结构化透镜的微米或纳米结构化元件包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、或超构原子或超构分子阵列，所述微米或纳米结构化元件被布置成以便共同在所述输出光上赋予依赖于横向位置的相位延迟，所述相位延迟导致所述结构化透镜的有效焦距。

13.根据权利要求1所述的组件，其中，所述角度滤光器包括纳米天线阵列、部分光子带隙结构、光子晶体、超构原子或超构分子阵列、或多层电介质薄膜。

14.根据权利要求13所述的组件，其中，所述角度滤光器被布置成以便导致输出光的透射重定向，从而以小于对应入射角或折射角的角度传播。

15.根据权利要求1所述的组件，其中，所述结构化透镜的有效焦距小于约2.0mm。

16.根据权利要求1所述的组件，其中，所述结构化透镜的特征在于数值孔径NA大于约0.5。

17.根据权利要求1所述的组件，其中，所述结构化透镜的横向范围大于发光元件阵列的横向范围的大约1.5倍。

18.一种用于操作发光器件组件的方法，所述方法包括：

选择性激活发射器阵列的发光元件的第一子集，其被布置成使得所述第一子集的被激活元件从所述发射器阵列的发射表面发射输出光，所述发射器阵列被定位成使得所述输出光穿过角度滤光器，所述角度滤光器被布置成以便表现出所述输出光的依赖于入射角的光学透射，所述光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在所述截止入射角以上光学透射基本上被阻止；和

定位所述组件，使得第一远场照明图案照亮期望的区域或场景，所述第一远场照明图案与所述发光元件的第一子集对应并且由位于所述输出光的路径中的所述衬底上或所述衬底中的结构化透镜对阵列的远场成像产生，所述结构化透镜包括微米或纳米结构化元件，所述微米或纳米结构化元件被布置成使得所述结构化透镜的特征在于有效焦距小于所述结构化透镜和所述发射器阵列的发射表面之间的有效距离。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

选择性激活所述阵列的发光元件的不同于所述第一子集的第二子集，使得所述第二子集的被激活元件从所述发射器阵列的发射表面发射输出光，使得所述输出光穿过所述角度滤光器；和

定位所述组件，使得与所述发光元件的第二子集对应并且由所述结构化透镜对阵列的远场成像产生的第二远场照明图案照亮期望的区域或场景，所述第二远场照明图案不同于所述第一远场照明图案。

20.一种用于制造发光器件组件的方法，所述方法包括：

定位和布置发射器阵列和基本上透明的衬底，使得从所述发射器阵列的发射表面发射的输出光透过所述衬底，所述发射器阵列具有布置在其上的多个发光元件的阵列，并且被构造和连接成以便使得能够选择性激活所述发射器阵列的各个元件或所述阵列的元件的不同子集，并对应地选择性地从所述发射器阵列的各个元件或所述阵列的元件的不同子集发射输出光；

将包括微米或纳米结构化元件的结构化透镜定位在所述衬底上或所述衬底中，所述衬底在所述输出光的路径中，所述微米或纳米结构化元件被布置成使得所述结构化透镜的特征在于有效焦距小于所述结构化透镜和所述发射器阵列的发射表面之间的有效距离；和

将角度滤光器定位在所述衬底上或所述衬底中或者在所述发射器阵列的发射表面上，所述角度滤光器被布置成以便表现出所述输出光的依赖于入射角的光学透射，所述光学透射随着入射角的增大而减小，或者具有截止入射角，在所述截止入射角以上光学透射基本上被阻止。