CN117882127A - 用于led阵列的自适应照明 - Google Patents

Abstract

描述了操作微LED的结构和方法。微LED布置在微LED阵列中，并且在该阵列内具有随机的取向、分布和位置。透镜阵列包括被配置为捕获来自微LED的光的微透镜。通过在不同时间捕获来自每个微LED的光并确定来自每个微LED的光的特性来校准微LED阵列结构。一旦接收到要由微LED阵列生成的图像的图像数据，就确定要激活以产生图像的微LED的组合以及用于驱动单独的微LED的特性。微LED随后被激活以产生图像。

Description

用于LED阵列的自适应照明

优先权要求

本申请要求于2021年6月28日提交的美国临时申请号63/215576的权益，该申请通过引用以其全部内容并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及发光二极管(LED)和LED阵列，并且更具体地，涉及使用微LED阵列的自适应照明。

背景技术

微发光二极管(微LED)阵列领域是照明和显示行业中的新兴技术。微LED阵列通常包括数千到数百万个微型发光二极管(LED)像素，这些像素可以发射光并且可以被单独控制或以像素组(例如5×5)被控制。与其他照明技术和显示技术相比，微LED阵列可以提供更高的明度和更好的能量效率，这可以使得微LED阵列合期望于多种不同的应用，诸如电视、机动车头灯、和移动电话等等。

附图说明

为了提供更完整的理解及其特征和优点，结合附图参考以下描述，其中类似的附图标记表示类似的部分，其中：

图1A示出了根据一些实施例的点光源和透镜组合。

图1B示出了根据一些实施例的扩展光源和透镜组合。

图2示出了根据一些实施例的一种微LED阵列和透镜组合。

图3示出了根据一些实施例的另一种微LED阵列和透镜组合。

图4示出了根据一些实施例的另一种微LED阵列和透镜组合。

图5A-图5H示出了根据一些实施例的随机放置的微LED和透镜的组合的模拟照明图案。

图6示出了根据一些实施例的使用图3的布置的模拟照明图案。

图7示出了根据一些实施例的校准布置。

图8示出了根据一些实施例的示例系统。

图9示出了根据一些实施例的示例照明系统。

图10示出了根据一些实施例的用于实施照明系统的示例硬件布置。

图11示出了根据一些实施例的用于实施本文的系统的示例硬件布置。

图12示出了根据一些实施例的示例系统。

图13示出了根据一些实施例的示例方法。

具体实施方式

本公开的系统、方法和设备可以包括一个或多个创新方面，其中创新方面可以单独地或组合地有助于本文公开的合期望的属性。本说明书中描述的主题的一个或多个实施方式的细节在以下描述和所附附图中阐述。

来自非相干光源(诸如白炽灯或LED)的光发射具有朗伯亮度分布。为了提高使用这种光源的照明系统的能量效率，可以使用该光源周围的附加光学器件来将发射的光导向期望的区域。光源周围的光学器件可以包括至少与光发射的主要区域相交的反射元件和/或折射元件。反射元件可以部分地围绕光源以朝向主区域反射光。控制光源强度分布的光学器件能力可以与相对于光源尺寸的光学器件尺寸成比例。例如，位于透镜焦点的点光源可以生成平行光束。在焦点处垂直于透镜轴的平面是焦平面。图1A示出了根据一些实施例的点光源和透镜组合。如图1A中所示，来自点光源102a的光被透镜104a准直，从而导致透镜104a发射平行光束。

通过增加源尺寸，光束角可以增加。图1B示出了根据一些实施例的扩展光源和透镜组合。如图1B中所示，使用发射表面为d个单位长的面光源102b而不是点光源102a。面光源102b的尺寸使得来自透镜104a的光扩散。如果面光源102b位于透镜104a的焦距f处，则来自透镜104a的光的延伸的角度可以使用以下来估计：

LED通常制作成在一侧上具有几个(例如5)毫米的尺寸。可以使用微LED，其每一侧上的尺寸范围为几微米到几十微米，其可以用作具有光学器件的最小化光源以构建自适应照明器。由于微LED的辐射通量与其尺寸成比例，因此为了照明的目的，大量的微LED可以同时用于照明器。

具有可调辐射图案的照明器可以包括大量LED(包括微LED)，其中每个LED具有其自身的光学器件。每对LED和透镜产生不同质心角度的定向光束。照明器中每个LED或每组LED的选择性激活(或部分激活)可以允许调节照明器的辐射图案。

上述照明器中的一个设计问题是小光学元件(透镜)和光源(LED)之间的对准。微米和纳米光刻方法有助于促进阵列中的微LED的制作。然而，用于隔离的微LED阵列对准的机械公差受到最小限度的约束。微LED的尺寸范围从几微米跨越到大约70μm。包含照明器的灯具可能由几千到几百万个微LED部件组成。使用传统的拾取和放置机器来构建这种微小部件的阵列可能极度耗时且成本高，并且此外可能导致不准确的微LED放置。

图2示出了根据一些实施例的一种微LED阵列和透镜组合。如图2中所示，微LED阵列202包含遍及微LED阵列202均匀定位的多个微LED 204。微LED阵列202可以形成为任何期望的形状，诸如矩形阵列，例如正方形阵列。微LED 204可以发射相同或不同波长的光。由每个微LED 204发射的光可以是可见光谱(例如红、蓝、绿)或者红外(IR)或紫外(UV)光谱；因此，微LED阵列202可以包含发射各种波长的微LED 204。微LED 204在其之上延伸的微LED阵列202的发射表面是d个单位长。微LED阵列202位于透镜206的焦距f处。每个微LED 204可以能够单独接通和关断，以操控来自微LED阵列202的整个光束。例如，当微LED阵列202中间中的微LED 204被接通，并且微LED阵列202中间中的微LED 204与透镜206的中心对准时，来自透镜206的光也可以沿着透镜206的对称轴。在另一个示例中，来自安装在角落的微LED 204之一的光可以准直地离开透镜206，但是有一个角度(质心角)。

如本文所使用的，LED、微LED和微LED像素(其可以包含多个微LED)可以被称为“接通”和“关断”。术语“接通”可以指允许电流流过LED、微LED和/或微LED像素的状态或向该状态的转变。术语“关断”可以指电流被阻止流过LED、微LED和/或微LED像素的状态或向该状态的转变。在一些实施例中，微LED阵列可以包括数千或数百万个发光LED，这些发光LED一起位于厘米级或更小面积的衬底上。每个像素可以包括如本文所述的微LED。微LED阵列可以支持横向尺寸小于约100μm×100μm(例如，边长约为10-20μm)的高密度像素。如本文所使用的，微LED指的是可独立控制的LED。替代地或另外，微LED指的是横向尺寸为约1μm至约100μm的LED。例如，微LED阵列可以具有直径、宽度或其他特性尺寸为约50μm的横向尺寸。

当电流被施加通过LED时，每个微LED均可以发射光。由LED发射的光的强度可以取决于被施加通过LED的电流量。例如，被施加通过LED的电流越小，由LED发射的光的强度越小。相反，被施加通过LED的电流越大，由LED发射的光的强度越大。

图3示出了根据一些实施例的另一种微LED阵列和透镜组合。如图3中所示，结构300包括微LED阵列302和微透镜阵列310。微LED阵列302包含设置在支撑结构(诸如背板304)上的多个微LED 306。微LED阵列302可以包含数万到数百万个微LED 306。与图2的布置不同，微LED阵列302中的微LED 306遍及微LED阵列302随机定位。微LED阵列302中的微LED306可以遍及微LED阵列302随机放置。

微LED 306可以分为多个区段。这些区段本身的尺寸和形状可以是通用的，或者可以具有不同的尺寸和/或形状。由于微LED阵列302可以包含数万或数百万个微LED 306，因此每个区段本身可以包含数千个微LED 306。每个区段可以包含一个或多个像素。微LED阵列302的每个像素可以是预定的尺寸，并且其中可以具有一个或多个微LED 306。在一些实施例中，每个区段和/或每个像素中的微LED 306可以作为一个单元(而不是微LED 306中单独的微LED 306或者除了微LED 306中单独的微LED 306之外)被控制以发射光。即使微LED306随机设置(例如，浸入液体中并在液体中自由地四处移动)，如上所述，微LED阵列302本身也可以形成为任何期望的形状，诸如矩形阵列，例如正方形阵列。微LED 306中随机放置的微LED 306可以发射相同波长的光，或者同一小区内的不同微LED 306可以发射不同波长的光。每个微LED 306可以能够单独接通和关断，以操控来自微LED阵列302的整个光束。

在一些实施例中，微LED 306可以通过在微LED 306的半导体制作之后分离微LED306中单独的微LED 306(诸如通过使用溶剂溶解微LED 306之间的区域)而在微LED阵列302内自组装。然后微LED 306可以被浸入液体载体中，并随机沉积在背板304的着陆焊盘上。在一些实施例中，静电引力可以用于实现微LED 306和背板304之间的接触。这种工艺可以用于将微LED沉积在背板304的明确限定的或随机的位置上，该背板304可以是例如印刷电路板(PCB)或薄膜晶体管(TFT)平面。

微透镜阵列310或任何其他类型的次级光学器件可以被放置成与随机组装的微LED相反。微透镜阵列310包含可以覆盖微LED阵列302的整个表面的多个透镜312。例如，可以通过当透镜312由背板支撑时使用透明粘合剂将透镜312粘合在一起、并且然后一旦透镜312被固定就移除背板来制作微透镜阵列310。与微LED 306相比，多个透镜312中的每一个可以相对大，例如直径约为100μm-500μm。在一些实施例中，多个透镜312中的每一个可以基本相同(例如，直径、形状、焦距)。在一些实施例中，多个透镜312中的每一个可以是例如平凹透镜或凸透镜或菲涅耳透镜或影响来自微LED阵列302的光的方向性的任何其他合适的光学元件。多个透镜312中的每一个可以具有至少一个涂层，诸如UV阻挡或抗反射涂层。在一些实施例中，多个透镜312可以被设计成使透过其的光偏振。除了多个透镜312之外，还可以使用光圈和/或滤光器。还可以使用多个透镜312(或者可以使用单独的光学元件)来放大和/或校正图像，诸如校正或最小化各种二维或三维光学误差。

微LED阵列302和微透镜阵列310的组合可以设置在外壳(未示出)的腔内，以允许来自微透镜阵列310的光被引导至阵列结构外部。多个透镜312中的每一个可以定位成拦截来自一个或多个微LED 306的光。如所示，其光被多个透镜312之一拦截的每个微LED 306可以随机定位在多个透镜312中重叠透镜312的范围内的若干预定位置之一处。在一些实施例中，在微LED阵列302的每个小区内，微LED 306的分布可以是基本均匀的，即使在小区的区段内，由于随机放置，分布也不是特别均匀。微LED 306也可以相对于微LED阵列302和微透镜阵列310的平行平面随机取向。因此，微LED 306在下面的支撑结构上可以具有随机的取向、分布和/或位置。

微LED阵列302可以位于多个透镜312中的每一个的焦距f处。也就是说，多个透镜312的焦距可以与其中安装了微LED 306的平面一致。微LED阵列302的多个透镜312的焦距可以是例如约100μm至约5mm。来自微LED 306中单独的微LED 306中的每一个的光可以具有独特的光束角和质心角。微LED 306中单独的微LED 306可以被单独供电。来自所有微LED306的光的叠加允许调节整个组件的辐射图案。

在一些实施例中，支持图像显示器的高速度和高数据速率操作。在一些实施例中，连续的图像可以能够以在大约30Hz和大约100Hz之间(典型的是大约60Hz)的速率投影在图像序列中。

图4示出了根据一些实施例的另一种微LED阵列和透镜组合。类似于图3的结构，图4的结构400包括微LED阵列402和微透镜阵列410。微LED阵列402包含设置在支撑结构404上的多个微LED 406。然而，在该实施例中，与图3中所示的实施例不同，不是微透镜阵列410的每个透镜412基本相同，透镜412的一个或多个特性(例如直径、形状、焦距、间距和/或位置)也可以是随机的。然而，即使一个或多个特性被随机化，为了便于制作和其他原因，微透镜阵列410也仍然可以设置在单个平面中，即与微LED阵列402的距离相同。每个透镜412的形状可以是相同的(即使一个或多个特性被随机化)或者也可以在预定的一组形状内被随机化。

在图3和图4中所示实施例的一些实施例中，反射器可以设置在微LED阵列302、402的边缘或微LED阵列302、402的小区之间。反射器可以将来自微LED 306、406的光导向微透镜阵列310、410。

图5A-图5H示出了根据一些实施例的随机放置的微LED和透镜的组合的模拟照明图案。特别地，图5A-图5H示出了在4m×4m的平坦表面上照明的透镜阵列后面的七个随机定位的微LED的模拟照度图案。图5H示出了当同时接通时来自所有七个微LED(图5A-图5G)的照度的重叠。

图6示出了根据一些实施例的使用图3的布置的模拟照明图案。在图6中，从1000个随机分布的微LED中选择的几个微LED用于生成H图案。

图7示出了根据一些实施例的校准布置。在图7中，系统700包括光源702。光源702可以包含微LED阵列和光学器件，诸如图3中所示的。光源702可以是独立的设备，诸如灯具或投影仪；或者可以结合在电子设备(诸如移动设备(例如智能手机))中；或者用作室内照明，诸如在房间或车辆中。处理器704和相机706或能够检测来自微LED阵列的光的其他传感器可以用于校准该组件。在这种布置中，当微LED阵列设置在光学器件的焦距处时，来自每个微LED的光可以在随机方向上朝向相机706准直。

每个微LED的照明分布可以限于由相机706检测到的照明场的一个小区域。虽然未示出，但是供电源单元可以在校准过程期间由处理器704控制，单独向每个微LED供电。使用相机706，来自单独的微LED的光的图案可以被记录为部分照明分量。也就是说，在一些实施例中，在校准期间，处理器704可以控制系统，使得向单个微LED供电并记录微LED的部分照明分量。在记录来自微LED的光之后，可以关断到微LED的电力，并且然后向新的微LED供电，然后记录该新的微LED的部分照明分量。这可以持续直到来自微LED阵列中每个微LED的全部部分照明分量被记录并存储在存储器中。

一旦存储在存储器中，部分照明分量就可以用于生成期望的照明分布。也就是说，对于任何任意照明分布(例如，由用户请求的)，处理器704可以能够基于例如矩阵求逆来确定生成期望照度分布的微LED的线性组合。基于用户期望的照明色温和强度分布，处理器704可以计算所有微LED的电流，并设置每个微LED或每组微LED的电流。

在校准后，可以将图像数据提供给处理器704。图像数据定义了将由微LED阵列显示的图像。图像数据可以由用户提供，或者可以被存储并用于提供预定义的图像。为了显示和实现图像，可以根据要产生的图像和/或光分布来调整微LED阵列内每个微LED或每个像素的电流水平。调整电流水平的一种方法是利用脉宽调制(PWM)调光。特别地，对于PWM调光，可以以特定频率接通和关断微LED阵列内的像素，并且可以调整导通时间与周期或循环时间之间的比率以产生用于像素的占空比。

如本领域技术人员将领会的，本文描述的诸方面——特别是微LED阵列的诸方面——可以以各种方式体现，例如作为方法、系统、计算机程序产品或计算机可读存储介质。因此，这些方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或组合软件和硬件方面的实施例的形式，所述软件和硬件方面在本文中通常都可以被称为“电路”、“模块”或“系统”。本公开中描述的功能可以实现为由一个或多个计算机的一个或多个硬件处理器(例如一个或多个微处理器)执行的算法。尽管在本文中提到了处理器，但是可以使用能够执行所指示功能的任何逻辑。在各种实施例中，本文描述的每个方法的不同步骤和步骤部分可以由不同的处理器来执行。此外，这些方面可以采取体现在一个或多个计算机可读介质(诸如非暂时性介质)中的计算机程序产品的形式，其上体现(例如存储)有计算机可读程序代码。在各种实施例中，这样的计算机程序可以例如被下载(更新)到现有的设备和系统(例如，现有的照明系统等)或在制造这些设备和系统时被存储。

图8示出了根据一些实施例的示例系统800。在一些实施例中，并非图8中所示的所有部件都可以存在。系统800可以在上述任何布置中提供，例如在灯具、移动设备中、或用于室内或室外照明环境中提供。在一些实施例中，系统800还可以用于主动式头灯系统中，或者用于增强现实或虚拟现实设备中。在这些应用中的任何一个中，可以如上所述调整由系统800的光输出提供的光强度和/或图像。系统800可以实现通过微LED阵列而成为可能的像素化配置。

系统800可以耦合至装置的总线802和电力源804。电力源804可以为系统800供电。总线802可以耦合到一个或多个部件，这一个或多个部件可以提供数据和/或利用提供给系统800或从系统800提供的数据。总线802上提供的数据可以包括例如：要显示的图像的图像数据；用户控制数据(例如明度、对比度调整)；与外部系统传感器相关的数据，诸如系统800周围的环境状况(诸如一天中的时间、是否下雨、是否有雾、周围环境光水平、和其他环境数据)；等等。例如，当系统800在车辆中并且照明被提供用于内部车厢照明或显示时，在总线802上提供的数据也可以与车辆的状况(诸如车辆是否停放、车辆是否在运动、车辆的当前速度、车辆的当前行驶方向)和/或车辆周围其他车辆或行人的存在/位置相关。系统800可以向所示部件或者系统800所在的设备的其他部件提供反馈(诸如关于系统操作的信息)。

系统800可以进一步包括传感器模块806。在一些实施例中，传感器模块806可以包括可以感测系统800的周围环境的一个或多个传感器。例如，一个或多个传感器可以感测可以影响通过由系统800发射的光产生的图像的周围环境。例如，在其中系统800设置在车辆中的实施例中，传感器可以感测车辆周围的环境状况和/或车辆周围其他车辆或行人的存在/位置(如果尚未提供的话)。在其他实施例中，诸如当系统800被置于移动设备中时，传感器模块806可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、GPS、接近传感器、环境光传感器、麦克风、触摸屏传感器等中的一个或多个。传感器模块806可以结合在总线802上提供的数据进行操作，或者可以代替在总线802上提供的一部分数据进行操作。传感器模块806可以输出视觉上(和/或听觉上和/或触觉上)的数据，其指示已经被传感器感测到。

系统800可以进一步包括收发器808。在一些实施例中，收发器808可以具有通用异步收发器(UART)接口或串行外设接口(SPI)。收发器808也可以耦合到总线802和传感器模块806，并且可以从总线802和传感器模块806接收数据。在一些实施例中，收发器808可以复用从总线802和传感器模块806接收的数据。收发器808可以将反馈引导至总线802或传感器模块806。

系统800可以进一步包括处理器810。处理器810可以是耦合到收发器808的硬件处理器(单核或多核)。处理器810可以与收发器808交换数据。例如，处理器810可以从收发器808接收由总线802和/或传感器模块806提供的数据。处理器810可以生成图像数据，该图像数据指示要由从系统800发射的光产生的图像。处理器810还可以生成一个或多个查询，所述一个或多个查询从系统800的一个或多个部件(示出或未示出)请求信息。处理器810可以进一步向收发器808提供反馈，以被引导至总线802和/或传感器模块806。

系统800可以进一步包括照明设备812。照明设备812可以产生多个不同的光输出。照明设备812可以包括照明系统814，该照明系统814包含微LED阵列(如上所述，该微LED阵列可以是数万个或更多个单独的微LED)。照明设备812可以耦合到处理器810，并且可以与处理器810交换数据。特别地，照明系统814可以耦合到处理器810，并且可以与处理器810交换数据。照明系统814可以从处理器810接收图像数据和查询，并且可以向处理器810提供反馈。

系统800还可以包括电源保护816。电源保护816可以耦合到电力源804，并且可以从该电力源接收电力。电源保护816可以包括一个或多个滤波器，所述一个或多个滤波器可以减少传导的发射并提供电力抗扰度(power immunity)。在一些实施例中，电源保护816可以提供静电放电(ESD)保护、负载转储保护、交流发电机磁场衰减保护、反极性保护、或其某种组合。

系统800可以进一步包括处理器电源818。处理器电源818可以耦合到电源保护816，并且可以从电力源804接收电力。处理器电源818可以包括例如低压差(LDO)调节器，该低压差调节器可以从由电力源804提供的电力中生成用于为处理器810供电的电力。处理器电源818可以进一步耦合到处理器810，并且可以向处理器810供电。

系统800可以进一步包括供电源820。供电源820可以耦合到电源保护816，并且可以从电力源804接收电力。在一些实施例中，供电源820可以包括转换器，该转换器将来自电力源804的电力转换成用于照明设备812的电力。例如，供电源820可以包括直流(DC)-至-DC转换器，其将来自供电源820的电力从第一电压转换成用于照明设备812的照明系统814的第二电压。

图9示出了根据一些实施例的示例照明系统900。如上所述，照明系统900中所示的一些元件可能不存在，而其他附加元件可以设置在照明系统900中。图8中所示的系统800可以包括照明系统900的一个或多个特征。照明系统900可以包括控制模块902。在一些实施例中，描述为控制模块902的一些或所有部件可以设置在例如复合金属氧化物半导体(CMOS)背板上。控制模块902可以耦合到或包括图8中所示的整个系统800的处理器810。控制模块902可以从处理器810接收图像数据和查询。控制模块902可以进一步向处理器810提供反馈。

控制模块902可以包括数字接口904。数字接口904可以促进与照明系统900内的处理器和其他部件的通信。例如，在一些实施例中，数字接口904可以包括SPI接口，其中SPI接口可以促进通信。

控制模块902可以进一步包括图像处理器906。图像处理器906可以是与图8中所示的处理器810不同或可以与图8中所示的处理器810相同的专用处理器。图像处理器906可以经由数字接口904接收图像数据，并且可以处理图像数据以产生例如PWM占空比和/或光强度的指示，用于使照明系统900基于上述校准产生由图像数据指示的图像。

控制模块902还可以包括帧缓冲器908和备用图像存储910。帧缓冲器908可以接收由图像处理器906产生的指示，并存储用于实施的指示。备用图像存储910可以进一步存储PWM占空比、光强度、和/或接通时间的指示。存储在备用图像存储910中的指示可以在没有存储在帧缓冲器908中的指示的情况下实施。例如，当帧缓冲器908为空时，帧缓冲器908可以从备用图像存储910中检索指示。

控制模块902可以进一步包括PWM发生器912。PWM发生器912可以从帧缓冲器908接收指示，并且可以根据该指示产生PWM信号。PWM发生器912可以进一步基于该指示确定光强度，并产生信号以使该光强度产生。

照明系统900可以包括微LED阵列914。微LED阵列914可以包括多个像素，其中每个像素包括像素单元916，该像素单元916可以被单独控制或以像素单元916的组被控制。特别地，像素单元916可以包括LED 918、PWM开关920和电流源922。像素单元916可以从PWM发生器912接收信号。来自PWM发生器912的PWM信号可以使PWM开关920根据PWM信号的值打开和关闭。对应于光强度的信号可以使电流源922产生电流，从而使LED 918产生对应的光强度。

照明系统900可以进一步包括LED供电源924。在一些实施例中，LED供电源924可以耦合到供电源820，并且可以从供电源820接收电力。LED供电源924可以为微LED阵列914的LED产生电力。LED供电源924可以耦合到微LED阵列914，并且可以向微LED阵列914提供用于LED的电力。

图10示出了根据一些实施例的用于实施该系统的示例硬件布置。如上所述，仅示出了硬件布置的一个实施例；在其他实施例中，一些元件可能不存在或者可以添加其他元件。特别地，图10的硬件布置1000示出了如上所述的照明系统900的控制模块902和微LED阵列914的进一步细节。注意，可能没有示出所有元件，诸如用于提供图10中所示的各种模块的功能的处理器和存储器。在一些实施例中，图10中所示的电路可以设置在例如CMOS背板上。

可以向控制模块1010提供数据以控制LED 1042。特别地，控制模块1010包含输入帧缓冲器1012，该输入帧缓冲器1012具有输入端，可以经由数字接口向该输入端接收要提供用于显示的串行图像数据。串行图像数据可以包括由图像处理器(未示出)产生的指示。当输入帧缓冲器1012为空以用于显示时，输入帧缓冲器1012可以从备用图像存储中检索指示。输入帧缓冲器1012可以向处理器的循环冗余校验(CRC)图像分析模块1014提供串行图像数据，该CRC图像分析模块1014可以确定缓冲的串行图像数据是否有效。如果是，则有效数据可以被提供给显示帧缓冲器1016。

来自CRC图像分析模块1014和显示帧缓冲器1016的数据可以被提供给像素驱动器1020，以驱动LED 1042。特别地，来自CRC图像分析模块1014的数据可以被提供给像素驱动器1020的上升沿相移模块1024，而来自显示帧缓冲器1016的数据可以被提供给像素驱动器1020的脉冲持续时间模块1022。上升沿相移模块1024还可以从PWM发生器1018接收预定频率的PWM。因此，上升沿相移模块1024可以使用CRC图像分析模块1014的数据来确定将PWM信号的上升沿移动多少，而来自显示帧缓冲器1016的数据可以用于调整所得PWM信号的持续时间。

所得相移和持续时间调整的PWM信号可以被提供给输入跨导器件1032的控制端子。如所示，输入跨导器件1032可以是p沟道增强型MOSFET，尽管可以使用其他类型的FET或其他器件。因此，改变的PWM信号可以被提供给MOSFET 1032的栅极。MOSFET 1032的源极可以与供电源Vcc连接。MOSFET 1032的漏极可以与比较器1038的输出端以及与另一个MOSFET1036的控制端子连接。比较器1038的输入可以是预定的偏置电压和取决于改变的PWM信号的电压。MOSFET 1032的源极(以及因此PWM信号)耦合到电阻器1034的一端，并且电阻器1034的另一端可以耦合到比较器1038的另一个输入端和另一个MOSFET 1036的源极。另一个MOSFET 1036的漏极可以在被提供给LED 1042之前耦合到放大器1040。另一个MOSFET1036的漏极也可以耦合到开关1044，以向控制模块1010提供反馈电压。

图11示出了根据一些实施例的用于实施上述公开主题的示例硬件布置1100。特别地，硬件布置1100可以示出可以实施系统800的硬件部件。硬件布置1100可以包括集成LED1108。集成LED 1108可以包括LED管芯1102和CMOS背板1104。LED管芯1102可以通过一个或多个互连1110耦合到CMOS背板1104，其中互连1110可以提供在LED管芯1102和CMOS背板1104之间的信号传输。互连1110可以包括一个或多个焊料凸块接头、一个或多个铜柱凸块接头、本领域中已知的其他类型的互连、或其某种组合。

LED管芯1102可以包括用于实施微LED阵列的电路。特别地，LED管芯1102可以包括多个微LED。LED管芯1102可以包括用于微LED阵列的共享有源层和共享衬底，并且从而微LED阵列可以是单片微LED阵列。微LED阵列的每个微LED可以包括单独的分段有源层和/或衬底。在一些实施例中，LED管芯1102可以进一步包括开关和电流源以驱动微LED阵列。在其他实施例中，PWM开关和电流源可以被包括在CMOS背板1104中。

CMOS背板1104可以包括用于实现控制模块和/或LED供电源的电路。CMOS背板1104可以利用互连1110向微LED阵列提供PWM信号和强度的信号，以使微LED阵列根据PWM信号和强度产生光。因为与标准LED阵列相比，驱动微LED阵列的连接的数量和密度相对大，所以可以使用不同的实施例来电连接CMOS背板1104和LED管芯1102。或者CMOS背板1104的接合焊盘间距可以与微LED阵列中接合焊盘的间距相同，或者CMOS背板1104的接合焊盘间距可以大于微LED阵列中接合焊盘的间距。

硬件布置1100可以进一步包括PCB 1106。PCB 1106可以包括用于实施诸如在例如图8中所示的功能(电源保护816、处理器电源818、传感器模块806、收发器808、处理器810、或其部分)的功能的电路。PCB 1106可以耦合到CMOS背板1104。例如，PCB 1106可以经由一个或多个引线接合1112耦合到CMOS背板1104。PCB 1106和CMOS背板1104可以除其他信号之外经由耦合交换图像数据、电力和/或反馈。

如所示，微LED和支撑微LED阵列的电路可以被封装，并且包括底座或印刷电路板，用于给微LED供电并控制由微LED产生光。支撑微LED阵列的PCB 1106可以包括电通孔、散热器、接地层、电迹线和倒装芯片或其他安装系统。底座或PCB可以由任何合适的材料(例如陶瓷、硅、铝等)形成。如果底座材料是导电的，则可以在衬底材料之上形成绝缘层，并且可以在绝缘层之上形成金属电极图案以与微LED阵列接触。底座可以充当机械支撑，从而在微LED阵列上的电极和电源之间提供电接口，并且还提供散热器功能。

如上所述，微LED阵列可以支持各种应用。这种应用可以包括提供一般照明(例如，在房间或车辆内)或提供特定图像的独立应用。除了诸如灯具、投影仪、移动设备之类的设备之外，该系统还可以用于提供基于增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的应用。各种类型的设备可以用于向用户提供AR/VR，包括耳机、眼镜和投影仪。这种AR/VR系统可以包括与上述部件类似的部件：微LED阵列、显示器或屏幕(其可以包括触摸屏元件)、微LED阵列控制器、传感器、和控制器，等等。AR/VR部件可以设置在单个结构中，或者所示的一个或多个部件可以单独安装并经由有线或无线通信连接。可以向控制器提供电力和用户数据。用户数据输入可以包括由音频指令，触觉反馈，眼睛或瞳孔定位，或者连接的键盘、鼠标或游戏控制器提供的信息。传感器可以包括相机、深度传感器、音频传感器、加速度计、二轴或三轴陀螺仪、以及提供用户输入数据的其他类型的运动和/或环境/穿戴者传感器。其他传感器可以包括但不限于气压、应力传感器、温度传感器、或者用于本地或远程环境监视的任何其他合适的传感器。在一些实施例中，控制输入可以包括检测到的触摸或轻敲、手势输入、或基于耳机或显示器位置的控制。作为另一示例，基于来自测量平移或旋转移动的一个或多个陀螺仪或位置传感器的一个或多个测量信号，可以确定AR/VR系统相对于初始位置的估计位置。

在一些实施例中，控制器可以控制单独的微LED或者一个或多个微LED像素(微LED组)以向用户显示内容(AR/VR和/或非AR/VR)，同时控制在眼睛跟踪中使用的其他微LED和传感器以调整显示的内容。内容显示微LED可以被设计成发射在可见光波段(约400nm至780nm)内的光，而用于跟踪的微LED可以被设计成发射在IR波段(约780nm至2200nm)内的光。在一些实施例中，跟踪微LED和内容微LED可以同时激活。在一些实施例中，可以控制跟踪微LED在内容微LED被停用并且因而不向用户显示内容的时间段期间发射跟踪光。AR/VR系统可以结合光学器件(诸如上述光学器件)和/或AR/VR显示器，例如以将由微LED阵列发射的光耦合到AR/VR显示器上。

在一些实施例中，AR/VR控制器可以使用来自传感器的数据对从加速度计接收的测量信号进行时间积分，以估计速度矢量，并对速度矢量进行时间积分，以确定AR/VR系统的参考点的估计位置。在其他实施例中，用于描述AR/VR系统的位置的参考点可以基于深度传感器、相机定位视图、或光场流。基于AR/VR系统的位置、取向或移动的变化，系统控制器可以向发光阵列控制器发送图像或指令。图像或指令的变化或修改也可以通过用户数据输入或自动数据输入来进行。

图12示出了根据一些实施例的示例系统。图12中所示的系统1200可以包括本文描述的部件、模块和电路中的一些或所有。系统1200可以包含设备1202，该设备1202包括本文描述的微LED阵列和微透镜结构1204。用于控制微LED阵列和微透镜结构1204的输出的控制电路1206可以包括处理器、PWM电路、开关、和上述其他部件，并且类似地操作。设备1202可以包含显示器1208a(诸如触摸屏)，和/或外部显示器1208b可以用于显示来自微LED阵列和微透镜结构1204的光。

图13示出了根据一些实施例的示例方法。不是所有的操作都可以在图13的方法1300中进行，和/或可以存在附加的操作。方法1300分为三个阶段。第一阶段包括微LED结构的制作，第二阶段包括微LED结构的校准，并且第三阶段包括期望图像的显示。各个阶段可以由不同的实体承担。

在第一阶段中，在操作1302，制作微LED。在操作1302，可以使用半导体制作工艺(例如化学气相沉积、金属沉积、氧化物生长、蚀刻)来制作微LED的规则阵列。在操作1304，可以通过划线或以其他方式消除微LED之间的连接来分离规则阵列。在操作1306，单独的微LED可以悬浮在液体中并随机沉积在背板上以形成微LED阵列。微LED可以具有随机的放置、分布和/或取向。在操作1308，可以制作单独的微透镜。单独的微透镜可以由玻璃或提供期望特性的另一结构形成。单独的微透镜可以具有相同或相似的特性，其中的至少一个特性(例如直径、焦距)可以是随机的。在操作1310，可以组合单独的微透镜以形成微透镜阵列。微透镜阵列可以形成为规则阵列，或者可以设置为彼此接触的随机阵列(随机特性的微透镜)。一旦已经制作了微LED阵列和微透镜阵列，就可以在操作1312将它们组合成单个微LED结构，并放置在器件或其他腔中，并连接到电路以控制微LED阵列结构。

在第二阶段中，在操作1314，校准微LED结构。处理器可以单独激活每个微LED，并且光可以被检测、记录和存储用于以后的处理。

在第三阶段中，在操作1316，接收要显示的图像。图像可以是预定的、用户控制的、或以其他方式设置的。在操作1318，处理器可以确定要激活哪个随机微LED并组合以形成期望的图像。在操作1320，控制电路和电源电路可以用于仅激活由处理器确定的那些微LED以形成期望的图像。

在该具体实施方式中，可以采用本领域技术人员向本领域其他技术人员传达其工作实质时常用的术语来描述说明性实施方式的各个方面。例如，术语“连接”意味着被连接的事物之间的直接电连接或磁连接，而没有任何中间设备，而术语“耦合”意味着被连接的事物之间的直接电连接或磁连接，或者通过一个或多个无源或有源中间设备的间接连接。术语“电路”意味着一个或多个无源和/或有源部件，它们被布置成相互协作以提供期望的功能。

本说明书使用短语“在一个实施例中”或“在实施例中”，它们各自可以指相同或不同的实施例中的一个或多个。此外，关于实施例使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的。本公开可以使用基于透视的描述，例如“上面”、“下面”、“顶部”、“底部”和“侧面”；这样的描述用于促进讨论，并且不旨在限制所公开的实施例的应用。除非另有说明，否则使用顺序形容词“第一”、“第二”和“第三”等来描述一个共同的对象，仅仅指示类似对象的不同实例被引用，并且不旨在意味着如此描述的对象必须在时间上、空间上、排序上或以任何其他方式处于给定的顺序。

在该具体实施方式中，参考了构成其一部分的所附附图，其通过图示的方式示出了可以实践的一些实施例。在附图中，相同的附图标记指代相同或类似的元件/材料，使得除非另有说明，否则在一个附图的上下文中提供的具有给定附图标记的元件/材料的解释可适用于其他附图，其中可以示出具有相同附图标记的元件/材料。所附附图不一定是按比例绘制的。此外，将理解，某些实施例可以包括比附图中示出的更多的元件，某些实施例可以包括附图中示出的元件的子集，并且某些实施例可以结合来自两个或更多个附图的特征的任何合适的组合。

各种操作可以以最有助于理解所要求保护的主题的方式依次被描述为多个离散的动作或操作。然而，描述的顺序不应被解释为暗示这些操作必然是依赖于顺序的。特别地，这些操作可能没有按照呈现的顺序来执行。所描述的操作可以以与所描述的实施例不同的顺序来执行。在附加实施例中，可以执行各种附加操作，和/或可以省略所描述的操作。

在本文提供的一些示例中，可以根据两个、三个、四个或更多个电气部件来描述交互。然而，这样做仅仅是为了清楚和举例的目的。应当领会，本文描述的设备和系统可以以任何合适的方式合并。沿着类似的设计备选方案，所附附图中所示的任何部件、模块和元件中的任何一个可以以各种可能的配置进行组合，所有这些显然都在宽泛的范围内。在某些情况下，通过仅引用有限数量的电气元件来描述给定的一组流程的一个或多个功能可能更容易。

如本文所使用的，开关的状态可以称为“开”和“关”。在一些实施例中，开关可以包括物理掷(throw)，其中术语“开”可以指该掷断开其中实施开关的电路以阻止电流流动，并且术语“关”可以指该掷完成其中实施开关的电路以允许电流流动。在一些实施例中，开关可以包括晶体管，其中术语“开”可以指晶体管呈现允许最小量的电流流动的高电阻，并且术语“关”可以指晶体管呈现允许大量的电流流动。此外，当提到开关包括允许电流流动或阻止电流流动的晶体管时，应该理解的是，当开关正允许电流流动时的电流流动可以是当“关”时流过晶体管的电流量，并且当开关正阻止电流流动时的电流流动可以是当“开”时流过晶体管的电流量(其在一些实例中可能非零)。应当理解，当晶体管“开”和“关”时允许流过晶体管的电流量可以取决于晶体管的特性，并且术语“开”和“关”应被解释为本领域普通技术人员在提到用作开关的晶体管时将理解的那样。

应理解，根据本文描述的任何特定实施例，不一定可以实现所有的目的或优点。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，某些实施例可以被配置成以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式操作，而不一定实现本文教导或建议的其他目的或优点。

应该领会，所附附图及其教导中的电路是容易扩展的，并且可以容纳大量的部件，以及更复杂/精密的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制范围或抑制潜在地应用于无数其他架构的电路的广泛教导。

在一些实施例中，附图的任何数量的电路可以在相关联电子设备的板上实施。该板可以是通用电路板，其可以容纳电子设备的内部电子系统的各种部件，并且进一步为其他外围设备提供连接器。更具体地，该板可以提供电连接，系统的其他部件可以通过该电连接进行电通信。任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片组等)、计算机可读非暂时性存储器元件等可以基于特定的配置、处理需求、计算机设计等适当地耦合到该板。诸如外部存储、附加传感器、用于音频/视频显示的控制器、和外围设备之类的其他部件可以经由线缆作为插入卡附接到板，或者集成到板本身中。在各种实施例中，本文描述的功能可以以仿真形式实现为在支持这些功能的结构中布置的一个或多个可配置(例如，可编程)元件内运行的软件或固件。提供仿真的软件或固件可以在包括允许处理器执行那些功能的指令的非暂时性计算机可读存储介质上提供。

在一些实施例中，所附附图中的电路可以被实现为独立模块(例如，具有被配置为执行特定应用或功能的相关联部件和电路的设备)，或者被实现为电子设备的专用硬件中的插件模块。注意，一些实施例可以容易地部分或全部包括在片上系统(SOC)封装中。SOC代表将计算机或其他电子系统的部件集成到单个芯片中的集成电路(IC)。它可以包含数字、模拟、混合信号、和通常的射频功能：所有这些都可以在单个芯片衬底上提供。其他实施例可以包括多芯片模块(MCM)，其中多个单独的IC位于单个电子封装内，并且被配置为通过电子封装彼此紧密交互。在各种其他实施例中，本文描述的部件和/或过程可以在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他半导体芯片中的一个或多个硅芯中实施。

同样重要的是要注意，与本文描述的部件和/或过程相关的功能和/或过程可以说明可以由本文描述的系统执行或在本文描述的系统内执行的一些可能的功能。在适当的场合，可以删除或移除这些操作中的一些，或者可以对这些操作进行相当大的修改或改变而不脱离该范围。此外，这些操作的时机可能有相当大的变化。出于示例和讨论的目的，已经提供了前面的操作流程。本文描述的实施例提供了相当大的灵活性，因为可以提供任何合适的布置、时序、配置和时机机制而不脱离该教导。

本领域技术人员可以确定多种其他改变、替代、变型、变更和修改，并且意图是本公开涵盖落入所附权利要求的范围内的所有这样的改变、替代、变型、变更和修改。注意，本文描述的任何设备和系统的所有可选特征也可以相对于本文描述的方法或过程来实现，并且示例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。

Claims (17)

1.一种微发光二极管(LED)阵列系统，所述微LED阵列系统包括：

包括多个微LED的微LED阵列，所述微LED具有随机的取向、分布和位置；和

包括多个微透镜的透镜阵列，所述透镜阵列被配置成捕获来自所述微LED的光。

2.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，其中每个微透镜与所述微LED中的至少一个对准。

3.根据权利要求2所述的微LED阵列系统，其中所述微LED中的至少一个的至少一个中心与和所述微LED中的至少一个对准的所述微透镜的中心不共线。

4.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，其中所述微LED阵列设置在所述透镜阵列的焦平面处。

5.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，其中所述微LED中的至少一些发射不同颜色的光。

6.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，进一步包括：

印刷电路板(PCB)；和

处理器，其设置在所述PCB上并被配置为单独驱动所述微LED中的每一个。

7.根据权利要求6所述的微LED阵列系统，其中所述处理器进一步被配置为：

接收包括照明色温和强度分布的用户提供的照明分布，

确定所述微LED的线性组合以生成所述用户提供的照明分布，以及

计算用于所述微LED的电流，并基于所述用户提供的照明分布驱动所述微LED。

8.根据权利要求6所述的微LED阵列系统，进一步包括：

耦合到所述处理器的相机；

耦合到所述处理器的存储器；和

耦合到所述处理器的供电源，

其中在校准期间：

所述处理器进一步被配置为控制供电源以单独激活所述微LED中的每一个，

确定由所述供电源激活并由所述相机捕获的所述微LED中的每一个的单独照明分量，以及

在所述存储器中记录所述单独照明分量。

9.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，还包括围绕所述微LED阵列的反射器，用于将来自所述微LED的光反射朝向所述透镜阵列。

10.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，其中所述微透镜中的每一个具有相同的特性。

11.根据权利要求1所述的微LED阵列系统，其中所述微透镜中的每一个具有随机的特性。

12.一种硬件布置，包括：

微发光二极管(LED)阵列，所述微LED阵列包括具有随机取向、分布和位置的多个微LED；和

复合金属氧化物半导体(CMOS)背板，所述微LED阵列设置在所述CMOS背板上。

13.根据权利要求12所述的硬件布置，其中所述微LED中的至少一些发射不同颜色的光。

14.根据权利要求12所述的硬件布置，进一步包括：

印刷电路板(PCB)，所述CMOS背板在与所述微LED阵列相反的一侧上耦合到所述PCB；和

设置在所述PCB上的处理器，所述处理器耦合到所述微LED阵列并被配置为单独驱动所述微LED中的每一个。

15.根据权利要求14所述的硬件布置，其中所述处理器进一步被配置为：

接收包括照明色温和强度分布的用户提供的照明分布，

确定所述微LED的线性组合以生成所述用户提供的照明分布，以及

计算用于所述微LED的电流，并基于所述用户提供的照明分布驱动所述微LED。

16.一种操作微LED阵列的方法，所述方法包括：

通过捕获来自微LED阵列结构的光来校准所述微LED阵列，所述微LED阵列结构包括微LED阵列和透镜阵列，所述微LED阵列包括具有随机取向、分布和位置的多个微LED，所述透镜阵列包括被配置为捕获来自所述微LED的光的多个微透镜，所述校准包括在不同时间捕获来自所述微LED中的每一个的光并确定来自所述微LED中的每一个的光的特性；

接收将由所述微LED阵列生成的图像的图像数据；

确定要激活所述微LED中的哪一个和所述激活的特性以生成所述图像；以及

激活所述微LED以形成所述图像。

17.根据权利要求16所述的方法，其中确定要激活所述微LED中的哪一个以生成所述图像包括基于矩阵求逆使用所述微LED的线性组合。