照明设备的制作方法

本公开涉及一种设备，其包括与多个光学元件对准的多个可寻址发光元件。此类设备可用于环境光照、用于室内或室外电子显示屏、或用于对于lcd显示器的背光源。

背景技术：

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

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

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

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

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

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

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

可以在任意大的衬底上形成有机发光二极管(oled)；然而，发光度可能比无机led所实现的发光率低1000倍以上。此类低的发光度通常不足以用于lcd背光。

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

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

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

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

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

技术实现要素：

定向led元件可以使用反射光学器件(包括全内部反射光学器件)或更典型的反射折射光学类型反射器，例如us6547423中所述。反射折射光学元件同时使用折射和反射，其可以是全内反射或来自金属化表面的反射。

对于某些视角，此类反射折射光学元件提供了输出亮度的非均匀空间分布。在背光源布置中，此类不均匀的空间分布可能会提供不希望出现的莫尔纹和mura伪像。

期望为包括薄封装中的反射折射光学元件的定向显示背光源提供高效率和高分辨率的增加的空间均匀性。

根据本公开的第一方面，提供了一种照明设备，包括：多个微型led，这些多个微型led被布置成微型led阵列；多个反射折射光学元件，这些多个反射折射光学元件布置在反射折射光学元件阵列中，其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件与多个微型led中的相应一个或多个微型led相对应地对准，多个微型led中的每个微型led仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准；对准使得来自每个微型led的光输出的一些以第一光输出分布离开该微型led的相应反射折射光学元件；一个或多个反射构件，这些一个或多个反射构件相对于第一光输出分布布置，使得离开相应反射折射光学元件的一些光由一个或多个反射构件反射回到反射折射光学元件中；以及多个光循环系统，这些多个光循环系统布置成阵列，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led对准，相对于反射折射光学元件和一个或多个反射构件布置每个光循环系统，诸如以进一步反射已经反射回其相应反射折射光学元件的一些所述光，以提供以第二光输出分布从相应反射折射光学元件离开的循环光，从而提供包括第一光输出分布和第二光输出分布的组合的组合光输出分布，与仅第一光输出分布的空间均匀性相比，该组合光输出分布具有提高的空间均匀性。

有利地，与没有循环系统的照明设备相比，照明设备可以实现提高的空间均匀性。对于给定的亮度，可以进一步提高偏振光的输出效率，并且可以降低功耗，或者对于给定的功耗，可以提高亮度。此外，照明设备可以用于提供照明或定向光输出分布的窄锥，其可以用于隐私显示、功率节省和减少的杂散光操作。可以提供进一步的高动态范围操作。

每个光循环系统可至少包括第一部分和第二部分，与第二部分相比，第一部分具有不同的反射特性。与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的反射率。有利地，可以提供具有提高的效率和受控的定向光输出分布锥宽度的光循环。

与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可提供不同的反射方向。有利地，可以进一步提高空间均匀性并且提高效率。

不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的形状。有利地，可以布置循环光的空间光输出分布以补充离开反射折射光学元件的光的空间光输出，从而提高效率。

不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分面向的方向相比，光循环系统的第一部分所面向的方向不同。有利地，可以提供空间均匀性的对称增加。

多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件在通过其光轴的至少一个横截面中可包括第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一外表面和第二外表面从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射光学元件的第一端；其中反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；以及至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件与包括第一多个led中的相应一个或多个led的第一多个led的其相应一个或多个led之间的对应对准定位在反射折射光学元件的第一端处并且与反射折射光学元件对准，或者定位在反射折射光学元件的第一端与反射折射光学元件的至少一个透明内表面之间并与反射折射光学元件对准。有利地，可以由微型led提供具有低杂散光输出的窄锥角。

微型led的宽度或直径可小于300微米，优选小于200微米，并且更优选小于100微米。反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可能小于3mm，优选小于1.5mm，并且更优选小于0.75mm。有利地，可以提供高分辨率照明设备以改善照明设备的输出的外观的装饰质量，并且减小显示设备中的莫尔纹和mura可见性。

多个微型led中的微型led可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型led的至少一对，对于相应每对，在单片晶圆中至少有一个相应微型led，其沿至少一个方向定位在该对微型led之间的单片晶圆中并且不在微型led阵列中定位在该对微型led之间。有利地，可以提供紧凑的照明设备。可以提供其他大面积阵列提取方法，与拾取和放置方法相比，这降低了成本和制造复杂性。

微型led的从一侧到另一侧的横截面可以在反射折射光学元件的第一端内对准。有利地，可以减少从相邻反射折射光学元件输出的光之间的杂散光和串扰。

多个光循环系统中的每个光循环系统与多个反射折射光学元件中的相应反射折射光学元件可相对应地对准。有利地，可以为跨多个反射折射光学元件的每个光学输出提供提高的空间均匀性。

光循环系统的第二部分可包括吸光材料。有利地，可以将定向光输出分布的锥角控制为类似于来自离开反射折射光学元件的微型led的光的输出的锥角。反射构件可包括平面反射结构。有利地，可以通过对平面和倾斜的反射光学表面进行图案化来提供提高的空间均匀性。

反射构件可包括反射偏振器。有利地，可以提供大面积且有效的偏振器，以在将偏振光输出到空间光调制器时以有效的方式提供用于再循环的光。

可以在多个反射折射光学元件与反射构件之间布置延迟层。有利地，循环光可以具有偏振态，该偏振态在由循环系统循环之后透射通过反射偏振器。

反射构件可包括图案化的反射器。有利地，通过将反射的反射折射光学元件的空间光输出分布的高亮度区域中的光循环到低亮度区域中，可以以有效的方式进一步提高空间均匀性。

图案化的反射器可以被布置在反射折射光学元件与第二多个led中的led之间。有利地，可切换的定向背光源或显示器可以提供增加的空间均匀性。

反射构件可包括至少一个棱镜微结构。至少一个棱镜微结构可被布置为通过全内反射来反射光。有利地，可以提供非金属的空间图案化的反射器，从而提高效率并且降低成本。

光循环系统可包括相对于多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的光轴倾斜的至少一个倾斜的反射表面。

光循环系统可被布置为靠近与相应反射折射光学元件对准的微型led。倾斜的反射表面的法线可被布置为与反射折射光学元件的内侧壁相交。倾斜的反射表面的法线与反射折射光学元件的内侧壁的相交处在侧壁的范围的中央三分之一区域中。倾斜的反射表面的法线的相交处可将反射折射光学元件的内侧壁进行等分。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的倾斜角。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的法线方向，该法线方向相对并且设置在反射折射光学元件的光轴的任一侧上。有利地，离开反射折射光学元件的高亮度光可以被循环到低亮度空间位置，从而增加空间均匀性。

光循环系统可包括以阵列布置的多个倾斜的反射表面。至少两个倾斜的表面可以交织。有利地，可以减小光循环系统的厚度。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可在第一方向上延长；多个微型led中的至少一些微型led可在第一方向上由间隙隔开；并且至少两个倾斜的表面可被布置在间隙中。有利地，入射在间隙中的循环光可以被有效地循环成窄锥角，从而实现减小的定向光输出分布立体角，并且实现改善的隐私级别、减少的杂散光和提高的显示器用户的发光效率。

至少两个倾斜的表面可被布置为靠近并且围绕多个微型led中的至少一些微型led。有利地，光循环系统可以与微型led对准地设置在背板衬底上，从而降低了成本和复杂性并且提高了效率。

在多个微型led中的至少一个微型led与反射折射光学元件的透明内表面之间可设置有至少一个透明棱镜。有利地，可以提高空间均匀性。

在至少一个反射折射横截面平面中，反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于3mm，优选小于1.5mm，并且更优选小于0.75mm。第一端与第一端处的第一外表面和第二外表面之间的外角可以小于第一端与第二端处的第一外表面和第二外表面之间的外角。至少一个透明内表面可以具有正光焦度。至少一个透明内表面可以具有零光焦度。在至少一个反射折射横截面平面中，多个微型led中的微型led的一些光输出可以由至少一个透明内表面透射，之后该光输出在第一外表面或第二外表面处反射，并且被引导到第一定向光输出分布中；并且多个微型led中的微型led的一些光输出可由至少一个透明内表面透射，并且被引导到第一定向光输出分布中，而在第一外表面或第二外表面处没有反射。

有利地，可以在薄且有效的光学结构中提供窄的输出立体角。

可以在多个微型led中的微型led与至少一个透明内表面之间提供折射光学元件。折射光学元件可以是半球形透镜。有利地，可以增加来自微型led的输出耦合效率。

多个微型led可以包括无机微型led。有利的是，与有机微型led相比，可实现高亮度输出，从而提供背光源和高发光输出功能。

多个微型led还可包括波长转换层。波长转换层可以包括磷光体或量子点材料。有利地，可以提供彩色显示器、背光源或照明设备。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可在垂直于反射折射光学元件横截面平面的方向上延伸。有利地，可以为显示器用户提供一维的窄锥角，以便在移动应用中舒适地观看。

多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的第二端可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括对于多个微型led的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括透明塑料材料。

可以方便地形成大面积阵列的精确定位的反射折射光学元件，并且将其对准到背板衬底上的大面积微型led阵列。有利地，可以降低制造成本和复杂性，并且提高输出的均匀性。

根据本公开的第二方面，用于显示设备的背光源可包括第一方面的照明设备。有利地，背光源可以在至少一个方向上提供具有高空间均匀性和受控的输出立体角的高亮度偏振输出。

根据本公开的第三方面，显示设备可包括空间光调制器和第二方面的背光源设备。有利地，可以为定向显示器提供高效率、低厚度、高均匀性和定向操作，包括用于隐私显示、降低的功耗和减少的杂散光。

反射偏振器可以被布置在背光源与空间光调制器之间。有利地，反射偏振器可以方便地被布置成与lcd的输入吸收偏振器对准。

根据本公开的第四方面，直接显示设备可包括控制设备和根据第一方面的照明设备，该控制设备被布置为向布置在微型led阵列中的多个微型led提供图像数据。微型led的宽度或直径小于100微米，优选小于50微米，更优选小于25微米。有利地，与第三方面的显示设备相比，可以为定向显示器提供提高的效率和减小的厚度。可以减少来自显示设备的进一步的正面反射，并且可以提高光输出均匀性。

根据本公开的第五方面，提供了一种照明设备，包括：多个微型led，这些多个微型led被布置成微型led阵列；布置在反射折射光学元件阵列中的多个反射折射光学元件，其中多个反射折射光学元件中的每个在通过其光轴的至少一个横截面平面中包括：第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一外表面和第二外表面从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射元件的第一端；其中反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；以及至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间；其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件与多个微型led中的相应一个或多个微型led相对应地对准，多个微型led中的每个微型led仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准；这种对准使得从每个微型led输出的一些光以第一光输出分布离开其相应反射光学元件的第二端；一个或多个反射构件，这些一个或多个反射构件相对于第一光输出分布布置，使得离开相应反射折射光学元件的第二端的一些光由一个或多个反射构件反射回到反射折射光学元件中；以及多个光循环系统，这些多个光循环系统被布置成阵列，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led对准，相对于反射折射光学元件的第一端和一个或多个反射构件布置每个光循环系统，诸如以进一步反射已经反射回其相应反射折射光学元件的一些所述光，以提供以第二光输出分布从相应反射折射光学元件的第二端离开的循环光，从而提供包括第一光输出分布和第二光输出分布的组合的组合光输出分布，与仅第一光输出分布的空间均匀性相比，该组合光输出分布具有提高的空间均匀性。

每个光循环系统可至少包括第一部分和第二部分，与第二部分相比，第一部分具有不同的反射特性。与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的反射率。与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可提供不同的反射方向。不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的形状。不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分面向的方向相比，光循环系统的第一部分所面向的方向不同。

多个反射折射元件中的反射折射光学元件与可包括第一多个微型led中的相应一个或多个微型led的第一多个微型led的其相应一个或多个微型led之间的对应对准定位在反射折射光学元件的第一端处并且与反射折射光学元件对准，或者定位在反射折射光学元件的第一端与反射折射光学元件的至少一个透明内表面之间并与反射折射光学元件对准。

微型led的宽度或直径可小于300微米，优选小于200微米，并且更优选小于100微米。反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可能小于3mm，优选小于1.5mm，并且更优选小于0.75mm。微型led的从一侧到另一侧的横截面在反射折射光学元件的第一端内对准。

多个光循环系统中的每个光循环系统与多个反射折射光学元件中的相应反射折射光学元件可相对应地对准。

微型led的从一侧到另一侧的横截面可以在反射折射光学元件的第一端内对准。

多个光循环系统中的每个光循环系统与多个反射折射光学元件中的相应反射折射光学元件可相对应地对准。光循环系统的第二部分可包括吸光材料。反射构件可包括平面反射结构。反射构件可包括反射偏振器。可以在多个反射折射光学元件与反射构件之间布置延迟层。反射构件可包括图案化的反射器。图案化的反射器可以被布置在反射折射光学元件与第二多个led中的led之间。反射构件可包括至少一个棱镜微结构。

至少一个棱镜微结构可被布置为通过全内反射来反射光。

光循环系统可包括相对于多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的光轴倾斜的至少一个倾斜的反射表面。光循环系统可被布置为靠近与相应反射折射光学元件对准的微型led。倾斜的反射表面的法线可被布置为与反射折射光学元件的内侧壁相交。倾斜的反射表面的法线与反射折射光学元件的内侧壁的相交处在侧壁的范围的中央三分之一区域中。倾斜的反射表面的法线的相交处可将反射折射光学元件的内侧壁进行等分。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的倾斜角。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的法线方向，该法线方向相对并且设置在反射折射光学元件的光轴的任一侧上。光循环系统可包括以阵列布置的多个倾斜的反射表面。至少两个倾斜的表面可以交织。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可在第一方向上延长；多个微型led中的至少一些微型led可在第一方向上由间隙隔开；并且至少两个倾斜的表面可被布置在间隙中。

至少两个倾斜的表面可被布置为靠近并且围绕多个微型led中的至少一些微型led。

在多个微型led中的至少一个微型led与反射折射光学元件的透明内表面之间可设置有至少一个透明棱镜。

在至少一个反射折射横截面平面中，反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于3mm，优选小于1.5mm，并更优选小于0.75mm。

第一端与第一端处的第一外表面和第二外表面之间的外角可以小于第一端与第二端处的第一外表面和第二外表面之间的外角。至少一个透明内表面可以具有正光焦度。至少一个透明内表面可以具有零光焦度。在至少一个反射折射横截面平面中，多个微型led中的微型led的一些光输出可以由至少一个透明内表面透射，之后该光输出在第一外表面或第二外表面处反射，并且被引导到第一定向光输出分布中；并且多个微型led中的微型led的一些光输出可由至少一个透明内表面透射，并且被引导到第一定向光输出分布中，而在第一外表面或第二外表面处没有反射。

可以在多个微型led中的微型led与至少一个透明内表面之间提供折射光学元件。折射光学元件可以是半球形透镜。

多个微型led可以包括无机微型led。多个微型led还可包括波长转换层。波长转换层可以包括磷光体或量子点材料。

多个微型led中的微型led可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型led的至少一对，对于相应每对，在单片晶圆中至少有一个相应微型led，其沿至少一个方向定位在该对微型led之间的单片晶圆中并且不在微型led阵列中定位在该对微型led之间。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可在垂直于反射折射光学元件横截面平面的方向上延伸。多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的第二端可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括对于多个微型led的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括透明塑料材料。

根据本公开的第六方面，用于显示设备的背光源可包括第四方面的照明设备。

根据本公开的第七方面，显示设备可包括空间光调制器和第五方面的背光源设备。反射偏振器可以被布置在背光源与空间光调制器之间。

根据本公开的第八方面，直接显示设备可包括控制设备和根据第一方面的照明设备，该控制设备被布置为向布置在微型led阵列中的多个微型led提供图像数据。微型led的宽度或直径小于100微米，优选小于50微米，更优选小于25微米。

根据本公开的第九方面，提供了一种照明设备，包括：多个微型led，这些多个微型led被布置成微型led阵列；多个反射折射光学元件，这些多个反射折射光学元件布置在反射折射光学元件阵列中，其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件与多个微型led中的相应一个或多个微型led相对应地对准，多个微型led中的每个微型led仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准；以及多个光循环系统，这些多个光循环系统以阵列布置，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led相对应地对准；其中每个光循环系统至少包括第一部分和第二部分，与第二部分相比，第一部分具有不同的反射特性。

与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的反射率。与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可提供不同的反射方向。不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的形状。不同的反射方向可以由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分面向的方向相比，光循环系统的第一部分所面向的方向不同。照明设备还可包括一个或多个反射构件。

微型led的宽度或直径可小于300微米，优选小于200微米，并且更优选小于100微米。微型led的从一侧到另一侧的横截面可以在反射折射光学元件的第一端内对准。

多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件在通过其光轴的至少一个横截面中可包括第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中第一外表面和第二外表面从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射光学元件的第一端；其中反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；以及至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间。

多个光循环系统中的每个光循环系统与多个反射折射光学元件中的相应反射折射光学元件可相对应地对准。光循环系统的第二部分可包括吸光材料。反射构件可包括平面反射结构。反射构件可包括反射偏振器。可以在多个反射折射光学元件与反射构件之间布置延迟层。反射构件可包括图案化的反射器。图案化的反射器可以被布置在反射折射光学元件与第二多个led中的led之间。反射构件可包括至少一个棱镜微结构。

至少一个棱镜微结构可被布置为通过全内反射来反射光。

光循环系统可包括相对于多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件的光轴倾斜的至少一个倾斜的反射表面。光循环系统可被布置为靠近与相应反射折射光学元件对准的微型led。倾斜的反射表面的法线可被布置为与反射折射光学元件的内侧壁相交。倾斜的反射表面的法线与反射折射光学元件的内侧壁的相交处在侧壁的范围的中央三分之一区域中。倾斜的反射表面的法线的相交处可将反射折射光学元件的内侧壁进行等分。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的倾斜角。至少两个倾斜的反射表面可具有不同的法线方向，该法线方向相对并且设置在反射折射光学元件的光轴的任一侧上。光循环系统可包括以阵列布置的多个倾斜的反射表面。至少两个倾斜的表面可以交织。

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可在第一方向上延长；多个微型led中的至少一些微型led可在第一方向上由间隙隔开；并且至少两个倾斜的表面可被布置在间隙中。

至少两个倾斜的表面可被布置为靠近并且围绕多个微型led中的至少一些微型led。

在多个微型led中的至少一个微型led与反射折射光学元件的透明内表面之间可设置有至少一个透明棱镜。

在至少一个反射折射横截面平面中，反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离可小于6mm。

第一端与第一端处的第一外表面和第二外表面之间的外角可以小于第一端与第二端处的第一外表面和第二外表面之间的外角。至少一个透明内表面可以具有正光焦度。至少一个透明内表面可以具有零光焦度。在至少一个反射折射横截面平面中，多个微型led中的微型led的一些光输出可以由至少一个透明内表面透射，之后该光输出在第一外表面或第二外表面处反射，并且被引导到第一定向光输出分布中；并且多个微型led中的微型led的一些光输出可由至少一个透明内表面透射，并且被引导到第一定向光输出分布中，而在第一外表面或第二外表面处没有反射。

可以在多个微型led中的微型led与至少一个透明内表面之间提供折射光学元件。折射光学元件可以是半球形透镜。

多个微型led可以包括无机微型led。多个微型led还可包括波长转换层。波长转换层可以包括磷光体或量子点材料。

多个微型led中的微型led可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型led的至少一对，对于相应每对，在单片晶圆中至少有一个相应微型led，其沿至少一个方向定位在该对微型led之间的单片晶圆中并且不在微型led阵列中定位在该对微型led之间。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件可在垂直于反射折射光学元件横截面平面的方向上延伸。多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件的第二端可布置在光学元件支撑衬底的第一侧上。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括对于多个微型led的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件可包括透明塑料材料。

根据本公开的第十方面，用于显示设备的背光源可包括第四方面的照明设备。

根据本公开的第十一方面，显示设备可包括空间光调制器和第五方面的背光源设备。反射偏振器可以被布置在背光源与空间光调制器之间。

根据本公开的第十二方面，直接显示设备可包括控制设备和根据第一方面的照明设备，该控制设备被布置为向布置在微型led阵列中的多个微型led提供图像数据。微型led的宽度或直径小于100微米，优选小于50微米，更优选小于25微米。

根据本公开的其他方面，提供了一种照明设备，包括：多个微型led，这些多个微型led被布置成微型led阵列；第一光学系统，该第一光学系统与多个微型led中的微型led对准，该第一光学系统包括多个反射折射光学元件，这些多个反射折射光学元件被布置在反射折射光学元件阵列中；其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件在通过其光轴的至少一个反射折射横截面中包括第一外表面和面向第一外表面的第二外表面；其中所述第一外表面和所述第二外表面包括弯曲表面；其中第一外表面和第二外表面从反射折射光学元件的第一端延伸到反射折射光学元件的第二端，反射折射光学元件的第二端面向反射折射光学元件的第一端；其中反射折射光学元件的第一端处的第一外表面和第二外表面之间的距离小于反射折射光学元件的第二端处的第一外表面和第二外表面之间的距离；以及至少一个透明内表面，该至少一个透明内表面布置在第一端和第二端之间以及第一外表面和第二外表面之间；其中透明内表面包括至少一个弯曲表面；其中每个微型led与反射折射光学元件中的一个对准，以为接近第二端的第一空间光输出分布提供第一定向光输出分布；第一空间光输出分布，该第一空间光输出分布具有第一定向光输出分布，该第一空间光输出分布是从多个微型led中的微型led输出的光；反射构件，该反射构件被布置成接收从多个微型led中的微型led以及相应对准的反射折射光学元件输出的光，并且将一些光朝反射折射光学元件反射回去；光循环系统，该光循环系统与多个微型led中的微型led对准，以将至少一些反射光作为循环光反射到相应反射折射光学元件；其中循环光提供具有第二定向光输出分布的第二空间光输出分布；其中第一空间光输出分布和第二空间光输出分布的空间变化组合小于第一空间光输出分布的空间变化。

此类设备可以用于家庭或专业光照，用于显示。

附图说明

在附图中以举例方式示出了实施方案，其中相似的附图标记表示类似的部分。

图1a是根据本公开的示意图，示出了定向显示器的顶视图，该定向显示器包括液晶显示器和定向背光源，该定向背光源包括多个微型led，每个微型led均与光偏转表面对准；以及线性延伸的多个一维反射折射光学元件；

图1b是根据本公开的示意图，示出了定向显示器的透视侧视图，该定向显示器包括液晶显示器和定向背光源，该定向背光源包括多个微型led，每个微型led均与光偏转表面和内部反射棱镜对准；以及线性延伸的多个一维反射折射光学元件；

图1c是根据本公开的示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图1a-b的定向显示器，用于横向显示取向；

图1d是根据本公开的示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图1a-b的定向显示器，用于纵向显示取向；

图2a是根据本公开的示意图，示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括定向背光源和液晶显示器，其中二维的多个微型led分别与光偏转表面的阵列对准；以及被布置成形成用于观察者的定向光输出分布的反射折射光学元件阵列；

图2b是根据本公开的示意图，示出了图2a的定向显示器的透视侧视图；

图2c是根据本公开的示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图2a的定向显示器；

图3a是根据本公开的示意图，示出了图1a的定向显示器以透视前视图操作，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为在显示器的区域上是相同的；

图3b是根据本公开的示意图，示出了图1a的定向显示器以透视前视图操作，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为指向窗平面中的公共窗位置；

图4a是根据本公开的示意图，示出了光源的透视图，该光源具有用于输入到光学系统中的光锥的第一区域和第一立体角；

图4b是根据本公开的示意图，示出了在来自图4a的光源的光已经由光学系统引导之后用于输出光的面积和立体角的透视图；

图4c是根据本公开的示意图，示出了反射折射光学元件的源和输出面积以及立体角的透视图；

图5a是根据本公开的示意图，示出了在至少一个横截面平面中的反射折射光学元件的输入宽度和输出宽度的侧视图；

图5b是根据本公开的示意图，示出了被布置成提供离轴照明的反射折射光学元件的侧视图；

图5c-e是根据本公开的示意图，示出了反射折射光学元件的形状的另外示例的侧视图；

图6a是根据本公开的示意图，示出了提供背景辉光和中心点光束的折射光学元件的照明的透视图；

图6b是根据本公开的示意图，示出了提供外部光晕和中心点光束的反射光学元件的照明的透视图；

图6c是根据本公开的示意图，示出了提供中心点光束的反射折射光学元件的照明的透视图；

图7是根据本公开的示意图，示出了定向显示器中的偏振控制元件的布置的透视正视图；

图8是根据本公开的示意图，示出了在定向背光源中来自反射偏振器的光的反射的侧视图；

图9是根据本公开的示意图，示出了从微型led的中心穿过反射折射光学元件的光线的光线轨迹的侧视图；

图10是根据本公开的示意图，示出了来自微型led的定向光输出分布的侧视图；

图11a是根据本发明的示意图，示出了(顶部)通过反射折射光学元件的微型led发出的光线的侧视图，(中间)跨同轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布的图示，以及(底部)二维的反射折射光学元件阵列的一个元件的输出的外观；

图11b是根据本发明的示意图，示出了来自反射折射光学元件和微型led的定向光输出分布的图示；

图12是根据本发明的示意图，示出了(顶部)图12的跨反射折射光学元件的输出的空间光输出分布的图示以及(底部)一维反射折射光学元件阵列的一个元件的输出的外观；

图13a是根据本发明的示意图，示出了二维的多个反射折射光学元件的外观的顶视图；

图13b是根据本发明的示意图，示出了一维的多个反射折射光学元件的外观的顶视图；

图14a是根据本发明的示意图，示出了(顶部)通过反射折射光学元件的微型led的光线的侧视图，(底部)跨偏轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布的图示；

图14b是根据本发明的示意图，示出了具有视角的二维的多个反射折射光学元件的输出的外观变化的顶视图；

图15a是根据本发明的示意图，示出了还包括来自微型led的边缘的增加的输出的来自微型led的定向光输出分布的侧视图；

图15b是根据本发明的示意图，用于跨同轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布，该同轴照明包括具有如图15a所示的输出定向光输出分布的微型led；

图16a是根据本公开的示意图，示出了还包括内部反射棱镜的微型led的侧视图；

图16b是根据本发明的示意图，示出了多个微型led的布置的顶视图，每个微型led包括到一维反射折射光学元件的内部反射棱镜；

图16c是根据本发明的示意图，示出了来自图16a的布置的光的定向光输出分布；

图16d是根据本发明的示意图，用于跨同轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布，该同轴照明包括具有如图16c所示的输出定向光输出分布的微型led；

图16e是根据本发明的示意图，示出了布置在反射折射光学元件的输出表面上的反射棱镜光学元件的反射的侧视图；

图16f是根据本发明的示意图，示出了布置在反射折射光学元件的输出表面上的反射棱镜光学元件的布置的顶视图；

图17a是根据本发明的示意图，示出了由反射偏振器反射后的光线的同轴光线轨迹的侧视图；

图17b是根据本发明的示意图，其示出了在由反射偏振器朝向微型led的平面反射之后，来自偏轴方向的光线的偏轴光线轨迹的侧视图；

图18是根据本发明的示意图，示出了在由反射偏振器朝向微型led的平面反射并且从平面反射表面反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图；

图19是根据本发明的示意图，示出了在由反射偏振器朝向微型led的平面反射并且从近侧光偏转表面反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图；

图20a是根据本发明的示意图，示出了图19的微型led和近侧光偏转表面的布置的细节的侧视图；

图20b是根据本发明的示意图，示出了微型led、光偏转表面、光吸收表面和反射折射光学元件的布置的顶视图；

图21a是根据本发明的示意图，示出了在由反射偏振器朝向微型led的平面反射并且从远侧光偏转表面反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图；

图21b是根据本发明的示意图，示出了微型led以及近侧和远侧光偏转表面的布置的细节的侧视图；

图21c是根据本发明的示意图，示出了与图21b的多个微型led和光偏转表面的阵列对准的二维的多个反射折射光学元件的顶视图；

图21d是示意图，示出了具有细长反射折射光学元件的光偏转表面阵列上的光入射的侧视图；

图21e是根据本发明的示意图，示出了在由反射偏振器向微型led平面反射并且从带有细长反射折射光学元件的远侧光偏转表面反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图；

图21f-g是根据本发明的示意图，示出了用于多个细长反射折射光学元件的光偏转表面的另外的布置的顶视图；

图22a-b是根据本公开的输出亮度相对于整个反射折射光学元件38上的位置的示意图，用于同轴观察；

图22c是根据本发明的输出亮度相对于离开照明设备的光的输出角度的示意图；

图22d是根据本公开的示意图，示出了包括另外的图案化的反射结构的定向背光源的透视侧视图；

图22e是根据本公开的示意图，示出了包括另外的图案化的反射结构的定向背光源的侧视图；

图23a是根据本公开的示意图，示出了可切换定向显示设备的侧面透视图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在背板衬底52上的二维的多个反射折射光学元件和对准的微型led的第一阵列，还包括在第二衬底上被布置为照明透射型lcd的对准微型led的第二阵列；

图23b是根据本公开的示意图，示出了可切换定向显示设备的侧面透视图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在背板衬底52上的一维的多个反射折射光学元件和对准的微型led的第一阵列，还包括在第二衬底上被布置为照明透射型lcd的对准微型led的第二阵列；

图24a是根据本公开的示意图，示出了来自图23b的多个微型led和对准的反射折射光学元件的光传播的侧视图；

图24b是根据本公开的示意图，示出了来自布置在第二衬底上的第二多个微型led的光传播的侧视图，其中第二衬底在第二多个微型led与背板衬底52之间；

图25a是根据本发明的示意图，示出了与反射折射光学元件对准的微型led的布置的顶视图；

图25b是根据本发明的示意图，示出了反射折射光学元件中的光线轨迹的侧视图，该光线轨迹包括通过偏振再循环填充侧壁与外部反射表面之间的表面；

图26是根据本公开的示意图，示出了紧凑的背光源布置以实现更高的显示亮度均匀性的侧视图；

图27a是根据本发明的示意图，示出了定向显示器的透视侧视图，该定向显示器包括二维的多个微型led，这些微型led分别与反射折射光学元件的二维阵列对准，这些反射折射光学元件被布置为形成定向显示器以实现观察者的二维定向光输出分布；

图27b是根据本发明的示意图，示出了定向显示器的透视侧视图，该定向显示器包括二维的多个微型led，这些微型led分别与反射折射光学元件的一维阵列对准，这些反射折射光学元件被布置为形成定向显示器以实现观察者的一维定向光输出分布；

图27c是根据本发明的示意图，示出了图26、图27a和图27b的定向显示器的顶视图；

图28a-i是根据本公开的示意图，示出了形成包括多个微型led和多个反射折射光学元件的照明设备的方法的侧视图；

图29a-d是根据本公开的示意图，示出了形成包括多个微型led和多个反射折射光学元件的照明设备的方法的透视图；

图30a-b是根据本公开的示意图，示出了照明设备的减薄的侧视图；

图31是根据本公开的示意图，示出了照明设备的分割的透视图；

图32是根据本公开的示意图，示出了现有技术的微型led装置的侧视图；

图33是根据本公开的示意图，示出了安装有磷光体层和半球形结构的微型led装置的侧视图；

图34是根据本公开的示意图，示出了反射折射光学元件的侧视图；并且

图35是根据本公开的示意图，示出了定向微型led装置的侧视图。

具体实施方式

期望提供用于透射空间光调制器(诸如液晶显示器)的定向背光源，其具有用于定向观察的高空间均匀性。

首先将描述包括多个微型led3和相对应的多个反射折射光学元件38的定向显示器的操作。

图1a是示意图，示出了定向显示器的顶视图，该定向显示器包括空间光调制器112和定向背光源110，该定向背光源包括各自与光偏转表面200的区域204对准的多个微型led3；以及线性延伸的多个一维反射折射光学元件38。图1b是示意图，示出了图1a的定向显示器的透视侧视图。反射折射光学元件38在y方向上延伸，该方向可以是显示器用户的垂直方向。

因此，照明设备可包括多个微型led3，这些多个微型led3被布置在微型led阵列中；多个反射折射光学元件38，这些多个反射折射光学元件被布置在反射折射光学元件阵列中，其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38与多个微型led中的相应一个或多个微型led3相对应地对准。

光线488、490是离开多个光学元件中的反射折射光学元件38的光线488的示例。

本实施方案还包括多个光循环系统，诸如光偏转表面200。多个光循环系统以阵列布置，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led3相对应地对准。

空间光调制器112可以包括液晶显示器(lcd)，该液晶显示器具有像素阵列303、输入偏振器300、tft衬底302、像素层304、滤色器衬底306和输出偏振器308。其他反射构件310可以包括反射偏振器以实现未透射通过偏振器300的偏振光的再循环，从而有利地提高系统效率。反射偏振器可以包括例如来自3m公司的dbef^tm材料，或者可以是线栅偏振器。

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

在本实施方案中，对于给定的功率消耗，提高的效率可以实现提高的亮度，由于给定输出亮度所需的微型led3和/或反射折射光学元件38的面积较小，因此可以实现功率消耗的减小和/或可以实现部件成本的减小。

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

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

另外的漫射器可以实现立体角181的扩展以便实现更宽的视角，并通过增加头箱尺寸来增加显示器观看的舒适度。

例如，漫射器可以进一步结合到反射折射光学元件38和光导100的表面上。此类漫射器可实现增加的锥角并减少定向光输出分布120的光束形状的半影的锐度。例如，与用于环境照明设备的尖锐半影相比，对于显示设备而言可能期望平滑的滚降。

空间光调制器可以被布置为提供像素数据，并且背光器控制器可以被布置为将寻址的驱动数据提供给多个微型led中的微型led。

在背光源设备中，微型led3可以是例如蓝色发光元件(诸如氮化镓半导体元件)，并且还可以被设置有诸如磷光体或量子点材料的颜色转换材料以提供白色输出。

透明输出衬底47上可以形成有与多个微型led3对准的多个反射折射光学元件38。

背光源110可以被布置为照亮空间光调制器112以提供空间均匀的定向照明，如将在本文中描述的。

定向光输出分布120可以设置有立体角181，并且可以由来自各个微型led3的射线121形成。

在操作中，通过微型led3的照明，在由定向光输出分布120提供的定向光输出分布内向观察者125提供光线121。定向光输出分布120可以由在锥形181中并且从微型led3引导的射线121形成。窗口120中的观察者从反射折射光学元件的输出看到空间光调制器112的照明，并且因此空间光调制器的像素303是背光照明的。窗口120外部的观看者127看不到照明的显示屏，提供了定向显示操作。

此类锥角181还可以扩展设置在lcd的外表面上的其他漫散器元件311、309。可替代地或附加地，可以是反射偏振器的漫射元件311和/或反射构件310可以设置在透明衬底47上。漫射器层可有利地实现图像摩尔的减少、增加的显示均匀性和图像mura的减少。另外的漫射器可以实现立体角181的扩展以便实现更宽的视角，并通过增加头箱尺寸来增加显示器观看的舒适度；这是观看者位置的舒适范围。

例如，漫射器可以进一步结合到反射折射光学元件38和光导100的表面上。此类漫射器可实现增加的锥角并减少定向光输出分布120的光束形状的半影的锐度。例如，与用于环境照明设备的尖锐半影相比，对于显示设备而言可能期望平滑的滚降。有利地，可以增加观看者的舒适度。

光线121提供窄定向光输出分布，这些光线通过反射折射光学元件38的二维的多个引导到具有宽度132和高度130的定向光输出分布120。眼睛在定向光输出分布120内的观察者看到透射空间光调制器112的被照明的至少一些像素303。定向光输出分布120外部的观察者看不到来自空间光调制器112的像素数据。

因此，定向显示器可以被布置为在定向光输出分布120内为观察者125提供窄视角，并且在定向光输出分布120之外不为观察者127提供显示可见性。

有利地，由于没有光被引导到不存在观察者125的区域，所以此类显示器可以提供降低的功耗。此外，显示器可以提供隐私操作，使得不期望的侧面观看者127不能看到显示器表面上的像素信息。此外，与常规的广角显示器相比，该显示器可以提供减少的杂散光。因此，该显示器可以适合于夜间操作且杂散光减少。此外，对于户外操作，与广角显示器的功耗相比，可以在不增加功耗的情况下为观看者125提供非常高亮度的显示。

图1a还示出了背光源110可以包括背板衬底52，在其上形成有多个微型led3，这些微型led3具有光循环系统，这些光循环系统包括被布置为提供循环的光线490的光偏转表面200。在本实施方案中，光循环系统有利地实现了空间均匀性的提高，这将在下文进一步描述。

本实施方案的定向显示器可以用于移动显示器、标牌、私人显示终端、监视器和其他已知的显示应用。

可能期望提供具有高动态范围操作的定向显示器，以通过在定向操作模式下的高动态范围操作来实现高水平的图像对比度。控制系统可包括背光源控制器106，该背光源控制器被布置为驱动背光源设备110的第一区域中的第一和第二多个led3、103中的至少一个，其光输出高于在背光源设备110的第二区域中的光输出。背光源控制器106可以被布置为与由显示器控制器108提供给透射空间光调制器112的图像数据相对应地驱动微型led中的区域。

可以将背光源寻址为微型led3的区域，使得可以为第一区域中的微型led3(对应于输入图像数据的高亮度)提供高光通量，然而第二区域中的微型led3(对应于输入图像数据的低亮度)可以被设置有小光通量。以这种方式，可以在定向操作模式下增加图像的对比度。

现在将进一步描述图1a-b的定向显示器的观看特性。

图1c是示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图1a-b的定向显示器110、112，用于横向显示取向。背光源110和空间光调制器112被布置为提供具有立体角181的定向光输出分布120。空间光调制器112是矩形的，并且反射折射光学元件38在平行于空间光调制器112的短侧的方向上延伸。定向光输出分布120在水平方向(x轴)上具有角宽度138，并且在垂直方向(y轴)上具有角高度134。角宽度可以例如被定义为显示亮度与视角的全宽度的一半最大值。

微型led3和对准的反射折射光学元件38可以在y轴方向上提供朗伯输出。对于朗伯显示器，显示器亮度随视角是恒定的，使得高度134可以可替代地定义为180度。

图1c的实施方案可以有利地实现针对定向显示器绕x轴旋转的宽视角自由度，同时提供绕x轴横向方向的窄视角自由度。

期望提供具有宽的垂直观看自由度的纵向显示器。

图1d是示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图1a-b的定向显示器，用于纵向显示取向。在该实施方案中，反射折射光学元件在平行于矩形空间光调制器112的长边的方向上延伸。有利地，可以实现围绕x轴旋转的舒适观看，同时获得定向显示特性。

可能希望提供二维的受限显示可见性。

图2a是示意图，示出了定向显示器的侧视图，该定向显示器包括定向背光源110和透射空间光调制器112，并且图2b是示意图，示出了图1的定向显示器的透视侧视图。图2c是示意图，示出了定向光输出分布的透视正视图，该定向光输出分布来自图2a的定向显示器。

与图1a-b的布置相比，反射折射光学元件38被布置为提供二维的光焦度，因此定向光输出分布122可以具有小于立体角181的立体角183。因此，与图1c的布置相比，定向光输出分布的角宽度130、132可以在水平和垂直方向上减小。

反射折射光学元件的光焦度通常可以是旋转对称的。可替代地，光焦度在正交方向上可以不同，例如在x轴和y轴方向上可以不同，使得角尺寸130、132可以不同。

与包括图1a-d的细长的反射折射光学元件38的布置相比，图2a-c的实施方案可以有利地提供提高的效率、改善的亮度和视角私密性、减少的杂散光和减少的功耗。

现在将描述在显示设备的面积上的定向光输出分布120的布置。

图3a是示意图，示出了图2a的定向显示器110、112以透视前视图操作，该定向显示器被布置为提供窄定向光输出分布，其中定向光输出分布被提供为在显示器的区域上是相同的。因此，观看窗口122、180、182可以被引导到相同的平行方向185上。

图3a的布置为观察者125跨显示器的面积提供了变化的亮度，因为在不同的锥角处观察了空间光调制器112的每个部分。

可能期望在标称观看位置为显示器用户提供增加的显示均匀性。

图3b是示意透视图，示出了被布置为提供窄定向光输出分布的定向显示器的透视前视图操作，其中定向光输出分布被提供为指向由观看平面187中的定向光输出分布122提供的公共位置。可以例如通过在背光照明设备110的区域上偏移微型led3的中心与反射折射光学元件3的中心的对准来实现这种布置。

有利地，可以为位于公共位置的观察者提供显示器用户125的增加的均匀性。

现在将描述反射折射光学元件38和相对应的微型led3的操作。

图4a是示意图，示出了具有用于输入到未指定光学系统(未示出)的锥形702的第一区域ain和第一立体角ωin的光源700的透视图；并且图4b是示意图，示出了在来自图4a的光源的光线已经被光学系统引导之后，用于输出光的区域aout的输出表面704和立体角为ωout的锥形703的透视图。保持亮度或光学扩展量(étendue)意味着

aout*ωout<＝ain*ωin等式1

图4c是示意图，示出了反射折射光学元件38的透视图，该反射折射光学元件在第一端707处具有微型led3，其具有锥形706中的输入区域ain和输入立体角ωin。反射折射光学元件38的第二端708具有区域aout，并且透射光锥710具有立体角ωout。等式1教导了aout因此大于ain，并因此在至少一个尺寸上，反射折射光学元件的输出宽度大于输入宽度以提供圆锥立体角ωout的减小。因此，与微型led3的区域相比，通过增加第二端708的输出区域aout可以实现锥710的较小立体角。反射折射光学元件可以扩展，然后微型led3的宽度可能小于第二端708的宽度。

图4c还示出旋转对称的反射折射光学元件38的光轴711。在本实施方案中，光轴711是沿着其存在旋转对称的线，并且是穿过反射折射光学元件38的折射表面42和外反射表面46的曲率中心的线。

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

现在将进一步描述反射折射光学元件38和微型led3的布置和操作。

图5a是示意图，示出了反射折射光学元件38在通过其光轴711的至少一个横截面平面中的输入宽度712和输出距离714的侧视图。因此，横截面平面是x-z平面并且光轴711在横截面平面中。

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

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

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

多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38与第一多个led中的相应一个或多个微型led3相对应地对准，第一多个led中的每个led仅与第一光学系统中的光学元件中的相应一个反射折射光学元件对准。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38与包括第一多个led中的相应一个或多个微型led3的第一多个led的其相应一个或多个微型led3之间的对应对准定位在反射折射光学元件38的第一端707处并且与反射折射光学元件38对准。

led3可以定位在反射折射光学元件38的第一端707与反射折射光学元件38的至少一个透明内表面42、44之间，并且与反射折射光学元件对准。例如，在横截面平面中，微型led3的中心可以与反射折射光学元件的光轴711对准。在本公开中，术语在反射折射光学元件的“第一端处”包括：例如，微型led少量地在第一端707下方、在与反射折射光学元件38的端部707相同的平面中、或在端部707的附近、或在端部707的近侧或邻近端部。在每种情况下，这可以包括与反射折射光学元件的光轴对准。以上描述可以应用于所有实施方案。

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

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

有利地，准直光可以被设置有窄锥角的定向光输出分布。

反射折射光学元件38可以被布置为从微型led3提供基本准直的输出光，以用于入射到弯曲外表面46a、46b以及可具有正光焦度的至少一个透明内表面44上的光。另外，至少一个透明内表面44可以具有零光焦度。有利地，可以在制造的工具使用和模制步骤期间方便地提供表面44。另外，此类表面可以协作以在高输出立体角上为来自微型led3的所有光线提供准直光，如下面将参考图4c相比于图4a和4b进行描述。

因此，由第一多个led中的led3的射线718示出的一些光输出通过至少一个透明内表面44透射，之后该光输出在第一外表面46a或第二外表面46b处反射，并且被引导到第一定向光输出分布120中；并且第一多个led中的微型led3的射线716所示的一些光输出通过至少一个透明内表面42透射，并且被引导到第一定向光输出分布120中，而在第一外表面46a或第二外表面46b处没有反射。

多个反射折射光学元件中的至少一些反射折射光学元件38可在垂直于反射折射光学元件横截面平面的方向上延伸，例如图1b所示。

多个反射折射光学元件中的至少一个反射折射光学元件38的第二端708可布置在光学元件支撑衬底47的第一侧上，如图1a所示。多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38可包括对于多个微型led的至少一个元件的至少一个操作波长透明的材料。该材料可以是透明塑料材料。

图5a还示出了在第一多个led的微型led3与至少一个透明内表面42、44之间提供折射光学元件706。折射光学元件706可以是半球透镜，其被布置为从通常用于无机微型led3的高折射率材料获得增加的光输出耦合效率。半球透镜706增加包括led和半球透镜706的光源9的有效区域ain，使得与微型led3单独提供相比，来自微型led3的光分布在更大的锥角上。

有利地，可以提供更高效率的输出耦合。

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

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

多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38与可包括第一多个led中的相应一个或多个微型led3的第一多个led的其相应一个或多个微型led之间的对应对准定位在反射折射光学元件38的第一端707处并且与反射折射光学元件38对准，或者定位在反射折射光学元件的第一端707与反射折射光学元件38的至少一个透明内表面42、44之间并与反射折射光学元件38对准。

微型led3的从一侧到另一侧的横截面在反射折射光学元件38的第一端707内对准。

可能期望从反射折射光学元件提供离轴照明。

图5b是示意图，示出了被布置成提供离轴照明的反射折射光学元件的侧视图。光轴711可以例如布置在折射表面42的中心与外部反射表面46a、46b的输出端之间。由微型led3和反射折射光学元件38提供的光锥719可以相对于法线方向倾斜角度721。有利的是，在第一操作模式下，照明设备可以为离轴方向提供窄锥角，而在第二操作模式下，可以提供宽锥角。

可以设置多于一个的离轴反射折射光学元件，每一个包括不同的光轴方向。可以提供与多个离轴反射折射光学元件中的每个对准的微型led3的寻址。有利地，可以实现在不同的离轴定向光输出分布之间的切换。因此，照明设备输出的方向和立体角可以通过控制电路106进行控制。

图5c-e是示意图，示出了反射折射光学元件的形状的另外示例的侧视图。

图5c示出了低厚度反射折射光学元件38可以被设置有可包括金属化外表面720的外表面46和边缘表面723；分别是弯曲的和线性的透明内表面726、727，包括透明弯曲表面和金属化区域722的端部708。有利地，厚度713可以小于例如图5a的反射折射光学元件38的厚度713。

图5d示出了另一反射折射光学元件38，其中透明内表面727可以具有连续弯曲形状，并且被布置成比图5c的倾斜壁727横向引导更多的射线，从而实现厚度减小。

图5e进一步提供了薄反射折射光学元件38，而无需使用金属化反射区域722。另外，外表面730可以包括分别从输入端707延伸到输出端708的平面部分732和倾斜部分730。

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

现在将描述由折射光学器件、反射光学器件和反射折射光学器件对输出照明的控制。

图6a是示意图，示出了提供背景辉光744和中心点光束742、743的折射光学元件740、741的阵列所进行的照明的透视图。背景辉光744可以通过在折射光学元件740之外传播的光来提供，并且可具有类似于输入光源(其例如可为微型led3)的定向光输出分布。辉光744可能不利地提供杂散光，从而降低照明质量，例如增加未授权观看者的背景隐私级别并降低隐私性能。可能不期望地提供具有高亮度的其他附加点光束743。

图6b是示意图，示出了提供外部光晕746和中心点光束742的反射光学元件的阵列所进行的照明的透视图。与图6a的布置相比，可能不存在附加点波束743，然而光晕746会不希望地在更宽的区域上分布光并降低背景照明水平，例如降低隐私性能。可以通过增加反射光学器件的长度749来减小光晕746的尺寸，但是这种增加提供了高的器件厚度。

图6c是示意图，示出了提供中心点光束的多个反射折射光学元件所进行的照明的透视图。与图6a-b的布置相比，不存在背景辉光744或光晕746。有利地，可以在薄包装中提供低杂散光。

现在将描述偏振光的定向背光源的操作。

图7是示意图，示出了定向显示器中的偏振控制元件的布置的透视正视图。

定向背光源110可以包括具有相应输出孔的多个反射折射光学元件38。输入漫射器311可以被布置在定向背光源110与可以具有慢光轴316的延迟器305之间。包括反射偏振器和吸收偏振器300的反射构件310可以具有例如在平面内切换lcd的示意性示例中水平的电矢量透射方向312。输出偏振器308可以具有垂直的电矢量透射方向314。

现在将描述在此类布置中的偏振光的传播。

图8是示意图，示出了在定向背光源中来自反射偏振器的光的反射的侧视图。为了进行示意性的说明，省略了输出偏振器308、偏转表面200和反射棱镜元件250。

在操作中，来自微型led3的光线320透射通过反射构件，该反射构件包括反射偏振器310和具有线性偏振态322的吸收偏振器300。

如射线324所示，由包括反射偏振器310的反射构件反射的光线朝着与偏振态322正交的偏振态326向反射折射光学元件传播。通常，反射偏振器310是平面的并且附接到lcd，使得反射构件包括平面反射结构并且包括反射偏振器310。因此，在多个反射折射光学元件与反射构件之间布置延迟层305。

延迟片305具有慢的光轴方向316和延迟，该延迟被布置成将偏振状态326改变为状态328，该状态通常是椭圆偏振状态。在示意性示例中，延迟片305是四分之一波片，其慢轴方向316与水平方向(x轴)成45度，并且偏振态326是圆形偏振态。

在来自反射折射光学元件38的表面46的反射以及来自反射折射光学元件上或附近的反射层的进一步反射(如将在本文中进一步描述的)上，可以提供修改的椭圆偏振态329。状态329可以与状态328基本正交，使得使穿过延迟片305后的光线324设置有水平偏振状态322，该水平偏振状态透射通过包括反射偏振器310和吸收偏振器300的反射构件。

延迟片305可以是单层延迟片，以实现降低的成本，或者可以是多层延迟片，以在整个视角范围内实现减少的色差和提高的效率。

有利地，与不具有包括反射偏振器310的反射后反射构件的布置相比，提高了定向显示器110、112的效率。

现在将讨论反射折射光学元件的输出的空间均匀性。

图9是示意图，示出了从微型led3的中心通过反射折射光学元件38的光线的光线轨迹的侧视图，其中与微型led3的中心对准的光轴711布置在背板衬底52上。

在示意性实施方案中，垂直于微型led3的光线405发射到空气腔1中，并沿光轴711导向弯曲折射表面44，并且透射通过输出端708(其可以布置在透射衬底47上，未显示)。

光线400、403、405离开反射折射光学元件38。角度接近微型led3的法线方向的光线403在折射表面44处折射并与射线405基本平行地输出。

与法线成更大角度的光线400入射在侧壁42上并被折射以落到外表面46上，在该外表面处，光线通过全内反射反射并与射线405基本平行地输出。表面46的形状可以被布置为提供来自微型led3中心的光的这种准直。

定向光输出分布120由反射折射光学元件38的微型led以及折射和反射属性的大小和位置确定。

有利地，反射折射光学元件38和微型led3可以提供小的立体角181。可以提供横向方向上的光的进一步低泄漏。

图10是示意图，示出了来自微型led3在空气中的定向光输出分布的侧视图。来自上表面的发射通常是朗伯型的；即亮度(每单位投影光源面积的每单位立体角的光通量)随视角恒定。因此，射线402的发光强度(每单位立体角的光通量)随着cosθ下降，其中θ是输出射线402与射线405的倾斜角。更一般地，具有该角的射线发光强度分布可以由发光强度轨迹404表示，其为朗伯发射器的圆。

现在将描述图9的反射折射光学元件的输出的输出空间亮度。

图11a是根据本发明的示意图，示出了(顶部)通过反射折射光学元件的led发出的光线的侧视图，(中间)跨同轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布410的图示，以及(底部)在远场中用于观察者的二维的多个反射折射光学元件38的一个元件的输出的外观。

因此，射线405以最大的发光强度发射，并且为光线405提供了峰值亮度407。跨折射表面44，存在亮度的衰减，使得在边缘处提供亮度407。因此，区域412中的亮度大于区域414中的亮度但小于区域416中的亮度。对于同轴照明，区域418中的亮度与区域412中的亮度基本相同。

通过比较，从正交于法线方向发射的光提供射线411，因此从表面46反射后的法线方向的光线具有非常低的亮度。离开反射折射光学元件38的411与415之间的射线的亮度可以具有轮廓410，使得射线415具有基本上相同的射线403的亮度。

轮廓410表示对于观察者125的给定视角，反射折射光学元件的输出的空间均匀性的量度。

因此，光输出的外观被示意性地示出为与折射表面44相关联的明亮的中央区域以及从壁42的位置开始并朝着输出表面的边缘扩散的暗环形空间417。

图11a示出了跨反射折射光学元件的端部708的空间光输出分布410。现在将进一步描述输出的定向光输出分布。

在本公开中，通过轮廓410的调制深度来提供空间光输出分布的均匀性，该调制深度是跨轮廓的最大与最小亮度之间的差。因此，增加的均匀性具有减小的调制深度，并且在跨轮廓具有减小的亮度差。

空间光输出分布的均匀性可以由包括扩散器309的扩散器部分地扩散。然而，由于与常规的广角照明相比定向光输出分布较小，因此在光锥中可能不存在足够的输出角以提供对背光源110的不均匀性的完全补偿。可以通过增加照明设备中的间隙的厚度来增加扩散量。然而，间隙厚度的此类增加会不期望地增加显示器厚度。

本公开的目的是示出提供结合多个微型led3和相对应的多个反射折射光学元件38的定向背光源的增加的均匀性的实施方案。

图11b是示意图，示出了图11a的反射折射光学元件38和微型led3的亮度相对于输出角的图示。定向光输出分布427可具有带半最大值全宽fwhm宽度425的角轮廓。定向光输出分布427在跨反射折射光学元件的端部708的宽度可以基本上相同，或者可以根据给定空间位置的相应光学表面44、42、46的像差随位置而变化。通过比较，空间光输出分布410可以以给定的输出角提供，例如如图11a中的分布410所示的同轴。

因此，多个微型led中的每个微型led3可以仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38中的相应一个反射折射光学元件对准；这种对准使得从每个微型led3输出的一些光以第一光输出分布离开其相应反射折射光学元件38；第一输出光分布可以包括用于给定输出方向的空间光输出分布410以及用于反射折射光学元件38的输出端处给定位置的角度光输出分布427。

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

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

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

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

现在将描述示意性示例以提供用于本公开的照明和显示实施方案的尺寸的示例。

通过比较，用于环境照明、显示器背光和直接显示的本实施方案可以包括微型led3。

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

微型led3可以通过阵列提取方法来提供，并且可以如下所述的那样从单片晶圆进行并行提取。多个微型led中的微型led3可以来自以阵列布置的单片晶圆，其原始单片晶圆相对于彼此的位置和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型led3的至少一对，对于相应每对，在单片晶圆中至少有一个相应微型led3，其沿至少一个方向定位在该对微型led之间的单片晶圆中并且不在微型led阵列中定位在该对微型led之间。

本实施方案的微型led3的宽度或直径可以小于300微米，优选小于200微米，并且更优选小于100微米。如本文将描述的，与拾取和放置方法相比，可以提供大区域阵列提取方法，从而提高放置准确度，减少总体放置时间并降低制造成本和复杂性。

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

宽度为300微米的微型led3和对准的反射折射光学元件38可以使用例如3mm的距离714来实现12度fwhm宽度425，并且可以具有1.5mm的厚度713。类似地，宽度为100微米的微型led和对准的反射折射光学元件38可以使用例如0.5mm的反射折射元件距离714来实现24度fwhm宽度425，并且可以具有0.25mm的厚度713。

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

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

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

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

在通过图像像素数据来驱动微型led的直接显示实施方案中，反射折射光学元件的间距可以确定显示器在至少一个方向上的分辨率。在反射折射光学元件的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离714可以小于0.3mm，优选地小于0.15mm，并且更优选地小于0.1mm。本直接显示器实施方案的微型led3的宽度或直径可以小于60微米，优选小于30微米，并且更优选小于20微米。

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

图12是示意图，示出了(顶部)反射折射光学元件38的亮度输出亮度轮廓410的图示，以及(底部)一维的反射折射光学元件38的阵列的一个元件的输出外观。

因此，可以提供暗条纹419，其从壁42的位置开始并向反射折射光学元件38的输出表面的边缘扩散。

图13a是示意图，示出了二维的多个反射折射光学元件的外观的顶视图，并且图13b是示意图，示出了一维的多个反射折射光学元件38的外观的顶视图。

此类环形空间417不利地提供了可以与空间光调制器112的像素303一起跳动的亮度结构。此类跳动可能不期望地在图像中提供可见的亮度结构、莫尔纹和mura缺陷。

图14a是示意图，示出了(顶部)通过反射折射光学元件的led的光线的侧视图，(底部)跨反射折射光学元件38的输出的空间光输出分布的图示，用于在2.5度的视角下进行偏轴照明。因此，空间光输出分布的轮廓425与用于同轴照明的轮廓410具有相似的外观，从而提供了随着视角增大可能变得不对称的中央环形空间。具有变化的视角的结构的相似性意味着角扩散器诸如扩散器311可能不提供空间均匀性的校正，这将在下文描述。

图14b是示意图，示出了具有视角的二维的反射折射光学元件38的输出的外观变化的顶视图。以此类角度处，可以提供不均匀的不对称的较暗区域421。

期望为正常输出方向以及与定向光输出分布120的横向滚动相对应的偏轴照明位置提供定向背光源110的增加的空间均匀性。

图15a是示意图，示出了来自led诸如led的定向光输出分布的侧视图，该led还包括来自led边缘的增加的输出。如图10所示，可以为从微型led3的上表面发射的光提供发光强度轨迹404。

包括高折射率材料诸如氮化镓的微型led3，特别是尺寸可以小于100微米的微型led可以提供来自led边缘的部分光输出。此类光可以具有发光强度轨迹424，其中来自衬底52的光反射有助于输出。因此，与图11a中的射线411的发光强度相比，光线424的发光强度可以增加。

图15b是示意图，用于跨同轴照明的反射折射光学元件的输出的空间光输出分布，该同轴照明包括具有如图15a所示的输出定向光输出分布的led。因此，轮廓430可以由附加光线424提供。

有利地，改善了反射折射光学元件38的输出的空间均匀性。可以改善背光源的光学结构的莫尔纹和可见性。

如图15b所示，输出的最高亮度用于从微型led3沿大致法线方向输出的光。

期望减少法线方向上的光发射，以增加入射在折射表面44上的光的横向空间均匀性。现在将描述此类设备。

图16a是示意图，示出了微型led3的侧视图，该微型led3还包括具有内部反射棱镜元件250的反射构件。微型led3可设置有布置在其顶表面上的棱镜元件250。棱镜元件250可以例如包括模制的聚合物材料，诸如硅树脂材料例如；或者可以直接形成在led的表面上。因此，在多个微型led中的至少一个微型led与反射折射光学元件38的透明内表面42、44之间设置有至少一个透明棱镜250。

在棱镜元件250之间的间隙区域448中在法线方向上发射的高发光强度的光线405可以以大致朗伯方向的光输出分布指向折射表面44。

棱镜元件250下面的区域446中的高发光强度光线442可以通过内部反射被反射回到微型led3中，其中高发光强度光线可以被散射或者可以被布置在背板衬底(未示出)上的反射器反射。棱镜元件的内角251可以被布置成通过具有所需锥角的内反射光反射，以增加入射在壁42上的再循环光线444的发光强度。

棱镜元件250的间距449可以被布置为在微型led3的朗伯输出与非朗伯输出角度特性之间提供平衡。

图16b是示意图，示出了多个微型led3的布置的顶视图，每个微型led3包括内部反射棱镜元件250并且与一维的反射折射光学元件38对准。棱镜元件250可以在平行于细长反射折射光学元件38的方向上延伸。与被布置为实现对发光强度轨迹450的期望控制的微型led的高度451相比，棱镜元件250可以具有尺寸449。

图16c是示意图，示出了来自图16a的布置的光的定向光输出分布。因此，可以提供发光强度轨迹450，使得与图10的输出相比，当跨微型led3的区域集成时，光线460具有降低的发光强度。以举例的方式，射线460的发光强度可以类似于与法线成45度角的射线462的发光强度。

图16d是示意图，用于跨同轴照明的反射折射光学元件38的输出的空间光输出分布轮廓470，该同轴照明包括具有如图16c所示的输出定向光输出分布的微型led3。

轮廓470在光轴711附近的折射表面44的区域中具有降低的亮度。可以在与来自侧面46的反射相关联的区域412中进一步增加亮度。与本文其他地方描述的轮廓410、430相比，侧壁42附近的区域414中的亮度进一步增加。

有利地，增加了反射折射光学元件38的输出的横向均匀性。减少了显示器背光源中的莫尔纹和mura，并且获得了改善的显示均匀性。

图16e是示意图，示出了来自反射构件的反射的侧视图，该反射构件包括布置在反射折射光学元件38的输出表面上的棱镜光学元件463，并且图16f是示意图，示出了反射构件的布置的顶视图，该反射构件包括布置在透明衬底47上或可替代地布置在反射折射光学元件38的第二表面708上的反射棱镜光学元件463。因此，反射构件包括至少一个棱镜微结构463。至少一个棱镜微结构被布置为通过全内反射来反射光。

光学元件463可以被布置成反射入射光线465，该入射光线与反射折射光学元件38和微型led3基本上在同轴上。返回到微型led3的区域的光可以通过散射或反射来循环。

如图16f所示，当在垂直方向集成时，包括棱镜光学元件463的反射构件可以在空间上布置，以提供对跨反射折射光学元件38的横向宽度的均匀性控制，这可以通过不对称扩散器311实现，与横向方向相比，该不对称扩散器在正交方向上具有更大的扩散。

有利地，可以修改输出空间均匀性，并且循环未使用的光。反射棱镜光学元件463的规模可以大于直接布置在微型led3上的元件250的规模，如上所述。

期望进一步改善跨反射折射输出的区域的空间均匀性，该区域被来自反射折射光学元件的表面46的反射所照亮。

现在将讨论由包括反射偏振器310的反射构件反射的光线到反射折射光学元件38的传播。

图17a是示意图，示出了由反射偏振器反射后的光线的同轴光线轨迹的侧视图。如图9所示，同轴射线可以被导回到微型led3的中心。此类光线可以被反射或散射以提供反射光的再循环，从而提高显示效率。

因此，照明设备可以包括一个或多个反射构件，诸如反射偏振器310。一个或多个反射构件可以相对于第一光输出分布诸如图11a中的空间光输出分布410和图11b中的定向光输出分布427布置，使得离开相应反射折射光学元件38的一些光线415由一个或多个反射构件(诸如反射偏振器310)反射回到反射折射光学元件38中。

可以通过例如从后扩散器311(未示出)的散射和扩散提供另外的光线477，从而增加了朝向背板52反射回去的光的角度。

图17b是示意图，示出了在由反射偏振器朝向led的平面反射之后，来自偏轴方向的光线的偏轴光线轨迹的侧视图。入射在折射表面44上的光线483成像到靠近微型led3的区域482，而入射在表面46上的光线481成像到不同的区域，该区域包括作为平面镜480的光循环系统。

现在将讨论在包括平面镜480的光循环系统中入射的光线481的光线传播。

图18是示意图，示出了在由包括反射偏振器310和第一表面46a的反射构件朝向微型led3的平面反射之后，从偏轴方向的光线481a、481b、481c的光线轨迹到包括平面镜480的光循环系统的侧视图。在从布置在背板52上的平面反射表面反射之后，射线481a、481b、481c可以被第二表面46b反射，并且被引导到与输入方向相似的观察方向上。

如参考图7和图8所描述，此类光线可以通过操纵偏振态而有用地循环，并且有助于背光源输出。

因此，与相对应的输入位置和亮度相比，光束481a、481b、481c可以具有不同的输出位置和亮度。此类改变可以提供增加的空间均匀性。然而，需注意，较高亮度的射线481a(是外部射线)也被引导到表面46b的外侧，使得不能实现对图16d的区域418中的空间均匀性的完全校正。

期望提供来自循环光线481的增加的均匀性。

图19是示意图，示出了在由包括反射偏振器310的反射部件朝向带有微型led3的反射折射光学元件38的第一端707反射并且从包括近侧光偏转表面200的光循环系统反射之后，来自偏轴方向的光线490a、490b、490c的光线轨迹的侧视图。表面200可以具有法线方向492，该方向指向壁42的中点高度493。

可能具有较高发光强度的光线490a入射到靠近折射表面44的侧壁上，并且被表面反射到靠近衬底52的侧壁上，从而在亮度轮廓410的具有低亮度的区域414中提供增加的亮度。类似地，具有低发光强度的光线490c被反射到亮度轮廓410的具有高亮度的区域。

如下文将进一步描述的，可以通过反射构件和光循环系统来增加空间均匀性。现在将描述具有微型led3的光偏转表面200和反射折射光学元件38的布置。

图20a是示意图，示出了包括近侧光偏转表面200的led和光循环系统的布置的细节的侧视图；图20b是示意图，示出了微型led3、近侧光偏转表面200、包括光吸收元件506和反射折射光学元件38的光循环系统的布置的顶视图。

每个光循环系统可包括至少第一部分和第二部分，第一部分包括反射表面200a，第二部分包括反射表面200b，与第二部分相比，第一部分具有不同的反射特性。多个光循环系统中的每个光循环系统与多个反射折射光学元件中的相应反射折射光学元件38相对应地对准。因此，光循环系统和反射构件的对准被布置成与微型led3和反射折射光学元件38的位置配合提供照明，每个部分的相应位置确定光输出分布的空间和角度轮廓。

因此，与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分提供了不同的反射方向。不同的反射方向由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分相比，光循环系统的第一部分可具有不同的形状。在本实施方案中，通过反射表面200a、200b相对于微型led3的法线表面方向的不同倾斜角来提供不同的形状。不同的反射方向由光循环系统的第一部分提供，与光循环系统的第二部分面向(朝向壁42b)的方向相比，光循环系统的第一部分所面向(朝向壁42a)的方向不同。

每个光循环系统相对于反射折射光学元件38以及一个或多个反射构件(诸如反射偏振器310)布置。反射构件可以布置有反射表面，该反射表面的表面法线平行于表面法线方向，或者反射折射光学元件的光轴711。可替代地，反射构件可以具有相对于光轴711倾斜的表面。

光循环系统进一步将已经反射回其相应反射折射光学元件38中的一些所述光490a、490b、490c反射，以提供离开其相应反射折射光学元件38的循环光。光循环系统因此包括相对于多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38的光轴711倾斜的至少一个倾斜的反射表面200a。光循环系统被布置为靠近与相应反射折射光学元件38对准的微型led。倾斜的反射表面200a、200b的法线492a、492b被布置为与反射折射光学元件38的内侧壁相交。

微型led3可以被布置在平台201上，该平台可以例如通过在背板衬底52的表面上模制结构而形成。

光线500a、500b、500c可以由微型led3提供并且被引导到反射折射光学元件的折射表面44或侧壁42。光线490a可以被反射偏转表面200反射。

在其他实施方案中，光循环系统的第一部分还可以包括吸收与光循环系统的第二部分200相比具有不同反射率的多个吸收元件506。因此，光循环系统的第二部分可包括吸光材料。光吸收元件506可以包括吸收表面，诸如黑色涂覆的表面。可以将光吸收元件506布置在衬底52上以提供良好限定的源宽度，从而有利地实现对定向光输出光分布的最大角度范围的限制，如将相对于图22c的轮廓431所示。

有利地，可以增加亮度均匀性，并且可以减小莫尔纹和mura，以透射空间光调制器112的照明。

期望通过收集除从侧面46b反射的光之外从侧面46a反射的光来进一步改善输出均匀性。

图21a是示意图，示出了在由反射偏振器朝向led的平面反射并且从远侧光偏转表面202反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图。从侧面46a反射的角度为2.5度的光线被成像到区域479。远侧反射光偏转表面202可以被布置在区域202中，其具有指向壁42的半高497的法线方向495。因此，可以布置光线498a、498b、498c，以跨反射折射光学元件38的横向距离714提供增加的空间均匀性，如下所述。

倾斜的反射表面202的法线495与反射折射光学元件38的内侧壁42的相交可以在侧壁42的范围的中央三分之一区域中，并且可以将反射折射光学元件38的内侧壁42进行等分。

期望提供近侧光偏转表面200和远侧光偏转表面202两者，以实现从两个表面46a和46b反射的光的改善的均匀性。

图21b是示意图，示出了包括近侧光偏转表面和远侧光偏转表面200、202的微型led3和光循环系统的布置的细节的侧视图。因此，区域204可以具有这样的结构，该结构为交织表面200、202的阵列提供了交替的表面法线492、495，这些法线指向相应侧壁42a、42b的中心高度。在细长的反射折射光学元件3中，壁42a、42b是分开的表面，而在旋转对称的反射折射光学元件中，壁42a、42b是同一表面42的横截面表示。

因此，至少两个倾斜的反射表面200、202可以具有不同的倾斜角191、193，这些倾斜角具有指向相应面向侧壁42a，42b的表面法线492、495。光循环系统包括布置成阵列204a的多个倾斜的反射表面200、202。至少两个倾斜的表面200、202是交织的。至少两个倾斜的反射表面204a、204b可具有不同的法线方向492、495，这些法线方向相对并且设置在反射折射光学元件38的光轴711的任一侧上。

来自折射表面44的另外的光线530可以被反射表面200、202反射，以提供用于正面照明的增加的效率。可以通过如本文其他地方所述的反射棱镜元件250进一步补偿此类效率增加。

有利的是，对于近侧射线和远侧射线490、498，横向亮度均匀性均增加。

图21c是示意图，示出了与区域204中的多个微型led3和光循环系统对准的二维的多个反射折射光学元件的顶视图，该区域包括交替的光偏转表面200、202的阵列。因此，在包括二维的反射折射光学元件38的实施方案中，表面200、202可以是环形的。在包括一维的反射折射光学元件38的实施方案中，表面200、202可以是线性的。

期望增加提供用于增加空间均匀性的循环光的亮度。

图21d是示意图，示出了光线211入射到包括光偏转表面200、202的阵列的光循环系统的侧视图。图21e是示意图，示出了在由包括反射偏振器310的反射构件朝向微型led的平面反射并且从包括具有细长反射折射光学元件38的光偏转表面200、202的光循环系统反射之后，来自偏轴方向的光线的光线轨迹的侧视图。图21f-g是示意图，示出了光循环系统的另一种布置的顶视图，这些光循环系统包括在区域204中的光偏转表面200、202以及用于多个细长反射折射光学元件38中的一个的光吸收元件506。

因此，多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38在第一方向(y轴)上延长；多个微型led中的至少一些微型led3在第一方向上由间隙隔开；并且包括至少两个倾斜的表面200、202的光循环系统被布置在间隙中。

图21d示出了在x-z平面中不垂直于微型led的光线211可以通过入射在微型led3之间的区域207中而被循环。因此，循环光线211可以入射到布置在多个微型led中的微型led3之间的光偏转表面200、202或平面镜289上。

图21e示出了一些射线可以被指向靠近细长的反射折射光学元件38的光轴711的位置。例如，穿过折射表面44的光线491可以通过入射在光偏转表面200和平面镜表面289上而被循环。此外，通过光偏转表面202将同轴光线489a、489b、489c进一步循环到同轴位置，从而进一步改善空间光输出分布，如本文其他地方所述。

图21f示出了输入端707可以通过反射折射光学元件38的壁42沿横向方向(在此示例中为x轴)界定，并且可以包括微型led3和多个光偏转表面200、202。至少两个倾斜的表面200、202被布置在区域204中，该区域靠近并且围绕多个微型led3中的至少一些微型led3。

区域204可以具有比led3宽的宽度205，并且可以被布置在区域207中以在折射反射光学元件38伸长的方向上在微型led3之间延伸。有利地，可以增加循环的光的量，从而改善空间光输出分布的效率和均匀性。

宽度205还确定已经被循环的光的定向光输出分布，即，宽度205越宽，由循环光提供的定向光输出分布120的立体角181就越宽。

期望提供用于循环光的立体角181，该立体角的大小与从显示装置输出而没有循环的光线的立体角181相似。

在图21g中，循环光学元件的宽度209被示为与微型led3的宽度基本相同。因此，在从区域204反射之后，由微型led3直接提供(无再循环)和由循环光提供的定向光输出分布可以基本相同。光循环系统还可在区域215中包括平面镜289和反射表面200、202，平面镜和反射表面被布置成接收被指向中央区域209的光线491，该中央区域的宽度与微型led3的宽度209相似。

有利地，与图21f的布置相比，可以减小组合的定向光输出分布的立体角181。可以增强隐私性和杂散光性能，并且优化空间光输出分布以减少图像伪像，同时提高空间均匀性。

现在将描述图21b-g的布置的横向亮度均匀性。

图22a-b是对于小的偏轴观察位置(例如2.5度)的输出亮度相对于跨反射折射光学元件38的位置的示意图。图22a示出了可以通过入射在近侧光偏转特征和远侧光偏转特征200、202上的循环光来修改参考图14a所描述的亮度轮廓425，以实现具有区域412、418和416的循环光轮廓510。

因此，光循环系统提供具有轮廓510的第二光输出分布，从而提供包括第一光输出分布425和第二光输出分布510的组合的组合光输出分布511，与仅第一光输出分布的空间均匀性相比，该组合光输出分布511具有增加的空间均匀性。

图22c是输出亮度相对于离开照明设备的光的输出角度的示意图。可以通过第二光输出分布的定向光输出分布428来修改第一光输出分布的定向光输出分布427，从而提供具有定向光输出分布431的组合光输出分布。定向光输出分布431可以有利地具有更高的亮度和更高的角度均匀性。

为了跨输出孔径提供增强的照明对称性，反射偏振器还在光中提供水平翻转，该光入射回到反射折射光学元件38上。另外的扩散器元件通过混合循环光的角度特性来实现改善的均匀性。漫射器与反射折射光学元件38的输出孔之间的间隙的改变还可提供给定角度的输出轮廓的空间混合。

结合起来，可以实现如图22b所示的轮廓511。有利地，与未修改的输出亮度结构相比，可以改善横向均匀性。

换句话讲，照明设备可包括多个微型led3，这些多个微型led3被布置在微型led阵列中；多个反射折射光学元件38，这些多个反射折射光学元件被布置在反射折射光学元件阵列中，其中多个反射折射光学元件38中的每个在通过其光轴711的至少一个横截面平面中包括：第一外表面46a和面向第一外表面46a的第二外表面46b；其中第一外表面46a和第二外表面46b从反射折射光学元件38的第一端707延伸到反射折射光学元件38的第二端708，反射折射光学元件38的第二端708面向反射折射光学元件的第一端707；其中反射折射光学元件38的第一端707处的第一外表面和第二外表面46a、46b之间的距离714小于反射折射光学元件38的第二端708处的第一外表面46a和第二外表面46b之间的距离712；并且至少一个透明内表面42、44布置在第一端707和第二端708之间以及第一外表面和第二外表面461、46b之间；其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38与多个微型led中的相应一个或多个微型led3相对应地对准，多个微型led中的每个微型led3仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38中的相应一个反射折射光学元件对准；这种对准使得从每个微型led输出的一些光716以第一光输出分布410、427离开其相应反射光学元件38的第二端708；一个或多个反射构件诸如反射偏振器310，这些一个或多个反射构件相对于第一光输出分布410、427布置，使得离开相应反射折射光学元件38的第二端的一些光716由一个或多个反射构件反射回到反射折射光学元件38中；以及多个光循环系统，这些多个光循环系统可包括项目200、202、506、289中的至少一个，这些多个光循环系统被布置成阵列，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led3对准，相对于反射折射光学元件38的第一端707和一个或多个反射构件布置每个光循环系统，诸如以进一步反射已经反射回其相应反射折射光学元件38的一些所述光，以提供以第二光输出分布510、428从相应反射折射光学元件38的第二端708离开的循环光，从而提供包括第一光输出分布410、427和第二光输出分布510、428的组合的组合光输出分布511、431，与仅第一光输出分布410的空间均匀性相比，该组合光输出分布511具有提高的空间均匀性。

换句话讲，照明设备可包括多个微型led3，这些多个微型led被布置在微型led阵列中；多个反射折射光学元件38，这些多个反射折射光学元件布置在反射折射光学元件阵列中，其中多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38与多个微型led中的相应一个或多个微型led3相对应地对准，多个微型led3中的每个微型led仅与多个反射折射光学元件中的反射折射光学元件38中的相应一个反射折射光学元件对准；以及多个光循环系统，这些多个循环光可包括项目200、202、506、289中的至少一个，这些多个光循环系统以阵列布置，其中多个光循环系统中的每个光循环系统与多个微型led中的相应微型led3相对应地对准；其中每个光循环系统至少包括第一部分和第二部分诸如200a、200b，与第二部分相比，第一部分具有不同的反射特性。

图22d是示意图，示出了定向背光源的透视侧视图，该定向背光源包括另外的反射构件，这些反射构件包括反射的并且可布置在图案化的反射层中的图案化的反射器514，并且图22e是示意图，示出了定向背光源的一部分的侧视图，该定向背光源包括反射构件，这些反射构件包括图案化的反射器514，其可以是例如形成在透明衬底47上的金属化层。

反射器514可以被布置为在具有增加的亮度的图22b中的轮廓512的区域515、517中提供光的反射。可以减少轮廓512中残余的不均匀性。反射器514可以可替代地是吸收结构，其被布置为以增加的亮度输出来减小空间区域的亮度。

有利地，可以提供具有增加的空间均匀性的背光源110。

可能期望提供包括在透明衬底47上布置的多个微型led603的可切换定向照明设备或可切换定向显示设备，该透明衬底被布置成与空间光调制器112上的漫射器311协作提供宽的方向光输出分布。

图23a是示意图，示出了可切换定向显示设备的侧面透视图，该可切换定向显示设备包括背光源610，该背光源具有二维的多个反射折射光学元件38和位于背板衬底52上并且与反射折射光学元件38对准的多个微型led3，还包括第二衬底上被布置为照明透射空间光调制器112的第二多个微型led603。可以将微型led603布置在与图22c-d中的反射器514所提供的那些相似的位置处，以实现增加的输出空间均匀性。空间光调制器112可以包括反射构件，该反射构件包括反射偏振器310。

如本文其他地方所述，在以窄角模式操作时，第一阵列的微型led3可以被照明。在以广角模式操作时，第二多个微型led603可以被照明，并且任选地第一阵列的微型led3可以被照明。来自微型led603的光线可以基本上被引导远离反射折射光学元件，并因此反射折射光学元件38可能不会修改广角照明。

微型led603的填充密度可以设置为在被布置在空间光调制器上并由间隙619隔开的漫射器元件311漫射之后，为空间光调制器112提供均匀照明。

图23b是示意图，示出了可切换定向显示设备的侧面透视图，该可切换定向显示设备包括背光源，具有在背板衬底52上的一维的多个反射折射光学元件38和对准的微型led3的第一阵列，还包括第二衬底上被布置为照明透射lcd空间光调制器112的多个微型led603。

有利地，可以在横向方向上实现窄定向光输出分布181，同时在正交方向上提供宽定向光输出分布122，如本文中其他地方所述。

现在将描述定向背光源610中的微型led603的布置。

图24a是示意图，示出了来自图51的多个微型led3和对准的反射折射光学元件38的光传播的侧视图，其中第二多个微型led603布置在透明衬底47与背板衬底52之间。

与反射折射光学元件38的输出的区域相比，微型led603的区域可以较小，从而减少了光损失。入射在led的后面的光线642可以通过包括布置在微型led603的下侧上的反射层601的光循环系统来反射。入射在层601上的光线644可以在微型led3处或微型led3周围的区域中作为射线642被循环。

有利地，可以减少在微型led603处吸收来自微型led3的光的损失。此外，微型led603可以由基础层635和透明衬底47的材料保护。

在形成图24a的设备的一种方法中，可以在衬底47上形成微型led603，并且然后将反射折射光学元件38模制到衬底47上，从而嵌入微型led603。基础层635可以被配置为当设置在侧面46的相邻尖端附近时提供led的嵌入。

图24b是示意图，示出了来自布置在透明衬底47上的第二多个led的光传播的侧视图，其中透明衬底47在第二多个微型led中的微型led与背板衬底52之间。因此，图案化的反射器514被布置在反射折射光学元件38与第二多个led中的led之间。

与图24a的布置相比，来自像素微型led603的发射直接进入空气，并且可以在广角模式下向观看者提供完整的发射锥1404，从而实现定向光输出分布120、122的定向光输出分布。可以通过来自像素微型led603的侧面发射来修改光锥1404，该侧面发射可以通过反射转向光学元件660进行重定向。可以通过包括反射层601的反射光循环系统来循环另外的光线670。

有利地，可提供具有高效率、低像素串扰和低厚度的可切换定向直接显示器。

图24b的布置和本文描述的其他实施方案还可应用于环境光照，而无需空间光调制器112。可能期望改善环境照明的视觉外观，以减少“虫眼”外观。因此，本实施方案的空间光输出分布均匀性增强可以应用于此类应用，从而实现改善的外表外观。

现在将描述微型led603的期望位置。

图25a是示意图，示出了与反射折射光学元件38对准的微型led3、600的布置的顶视图。微型led603可以被布置成减少反射折射光学元件38的高亮度区域中的光透射。

因此，可以将微型led603a布置在与反射折射光学元件38的折射表面44上方的位置相关联的中央区域1416中。另外的微型led603b可以被布置在反射折射光学元件38的外部区域1412中。

有利地，可以提高背光源610的亮度均匀性。可以降低用于显示照明的莫尔纹和mura效果。

可能期望为在反射折射光学元件38的阵列的制造期间提供的尖端区域540提供增加的均匀性。

图25b是示意图，示出了反射折射光学元件中的光线轨迹的侧视图，该光线轨迹包括通过偏振循环填充侧壁42与反射侧表面46之间的尖端542。在制造中，反射折射光学元件可以形成在侧表面46与壁42之间具有有限宽度的尖端542。光循环系统可以包括反射元件540，该反射元件可以设置在衬底52上以实现定向光线544的再循环。

有利地，可以增加包括尖端区域的反射折射光学元件38的横向均匀性。可减少显示莫尔纹和mura。

期望提供进一步的不均匀性的校正。

图26是示意图，示出了紧凑的背光源布置以实现更高的显示空间均匀性的侧视图。

背板衬底可以包括微型led3，并且光循环系统还可以任选地包括棱镜元件250、光偏转表面200,202、吸收元件506和反射元件540。

衬底52a可包括光学层和电极层52a以及支撑衬底52b。反射折射光学元件38可以任选地形成在透明衬底47上并且与微型led3对准。

光学层550可以包括：反射构件，该反射构件包括反射偏振器310、延迟器35和反射构件，该反射构件包括图案化的反射层535，该图案化的反射层包括被布置成提供增加的输出光分布的空间均匀性的反射区域的阵列。光学层550还可以形成在透明衬底47上并且可以被定位成使得透明衬底47在层550与衬底52之间或者层550在衬底47、52之间。

有利地，图案化的反射层535可以提供对残余显示器横向亮度不均匀性的校正，从而增加空间均匀性。

与本文其他地方描述的背光源布置相比，期望减小厚度并且提高显示装置的效率。

图27a是示意图，示出了定向直接显示器210的透视侧视图，该定向直接显示器包括像素微型led203的二维阵列，其分别与反射折射光学元件38的二维阵列对准，这些反射折射光学元件被布置成以类似于图1a所示的方式为观察者125提供二维的定向光输出分布120。

图27b是示意图，示出了定向直接显示器211的透视侧视图，该定向直接显示器包括像素微型led203的二维阵列，其分别与细长的反射折射光学元件38的一维阵列对准，这些反射折射光学元件被布置成以类似于图1a所示的方式为观察者129提供一维的定向光输出分布181。

图27c是示意图，示出了图26、图27a-b的定向显示器的顶视图。

图27a-b的实施方案与图1a的背光源110实施方案的不同之处在于通常提供白光的微型led3，并且通过背光源数据(均匀光通量的输出)进行寻址，由通常提供红色、绿色或蓝色输出的像素微型led203代替，并且用像素图像数据寻址以提供照明图像。因此，不提供单独的空间光调制器112。与图1a的背光源布置相比，图27a-b的布置可以具有更高的分辨率。

有利地，与图1a的显示器110、112相比，减小了显示器厚度。此外，消除了空间光调制器112中的吸收损耗，从而提高了显示效率。

在操作中，入射在显示器的前表面上的外部环境光可以沿着与本文中其他地方关于循环光路所述的光路相似的光路由显示装置中的光学部件和反射层反射。此类反射光可降低显示器的对比度。期望减少或消除此类正面反射的出现。

提供吸收偏振器315、包括反射偏振器310和延迟器305的对准的反射构件，以实现减少的正面反射。可以在衬底47与观察者129之间布置另外的扩散器元件309。

在操作中，透射通过吸收偏振器315的环境偏振光透射通过包括反射偏振器310的反射构件，并且可以具有由延迟器305提供的修改的偏振态。在包括反射折射光学元件的光循环系统中将光循环，这些反射光学元件包括反射折射光学元件38、光偏转表面200,202和平面镜289，并且被吸收元件506吸收，如本文其他地方所示。此类循环光的偏振态适当地旋转了90度，并且在光学系统内被散射或吸收。有利地，可以减少缓解的正面反射的可见性并且增加对比度。此外，可以跨多个反射折射光学元件中的每个反射折射光学元件38增加空间光输出分布均匀性。

现在将描述用于形成照明设备的方法，该照明设备包括与反射折射光学元件38的阵列对准的微型led3、203的阵列。在此通过引用并入的wo2010038025中公开了用于形成照明设备的另一方法。在此通过引用并入的wo2012052722中进一步公开了用于处理微型led的阵列的方法。

图28a-i是示意图，示出了用于形成照明设备110的方法的侧视图，该照明设备包括多个微型led3和多个反射折射光学元件38。可以提供类似的方法来形成定向直接显示设备210、211。

多个微型led3可以包括无机微型led以实现高光通量。多个微型led3还可包括波长转换层以提供白色或有色光。波长转换层可以包括磷光体或量子点材料。多个微型led中的微型led3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s1和定向被保留；并且其中在至少一个方向上，对于在至少一个方向上的多个微型led的至少一对，对于相应每对，在单片晶圆中至少有一个相应微型led，其沿至少一个方向定位在该对微型led之间的单片晶圆中并且不在微型led阵列中定位在该对微型led之间。

如图28a所示，可以提供单片发光元件晶圆2。在示意性实施方案中，单片晶圆2可以包括氮化镓层并且可以形成在蓝宝石衬底上。为了本说明书的目的，术语“单片”是指由一件组成；坚固或不间断。

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

如图28b所示，在第二个处理步骤中，在单片晶圆2中形成了发光元件3a、3b的阵列。每个元件的位置和取向都由掩模4定义。掩模由区域65、67的阵列组成，每个区域定义了led芯片的至少一层的结构。区域65、67表示第一led芯片3a和第二led芯片3b的位置并具有分离s1，如图所示。在通过掩模向晶圆2上曝光期间，在由掩模4的区域65、67限定的位置处形成元件3a、3b。

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

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

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

如图28c中的第三步骤所示，通过切割装置82对发光元件3a、3b进行切割和划线或断开，该切割装置可以是例如划线、切割轮、激光束或锯。

元件3a、3b的相应边缘的切割或断开位置的分离s2与分离s1基本相同。

如图28d所示，在第四步骤中，工具90可以具有带分离s3的指状物94、96，并与多个微型led3a、b对准。指状物94、96的分离s3、取向和放置被设置为与阵列的发光元件的分离s1、取向和位置基本相同。

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

在第四步骤的替代方法中，可以布置激光器以照亮微型led3a、3b以提供切割和分离。例如，准分子激光器可以通过蓝宝石晶圆照亮微型led3a、3b。界面处的氮化镓材料可分解为氮和镓，从而提供分离力并实现元件3a、3b的图案化的激光剥离。照明区域的分离可以是s1由于在暴露于准分子激光器期间氮化镓层上的剥离力和照明结构的作用力导致微型led3a、3b的边缘断开，因此可以进一步消除切割或断开步骤。剥离的元件可以设置在工具90上，该工具可以包括指状物94、96，例如可以将其设置为粘合剂层的区域。

如图28e所示，在第五步骤中，指状物94、96分别附接到元件3a、3b，并且用于从多个微型led3a、3b中提取元件。

指状物94、96的分离s3和取向可能与元件3a、3b的分离s1和取向不同，然而在该提取步骤中，仍然保留了分离s1和元件3a、3b的取向的完整性。

如图28f-g所示，第六步骤中，可以将元件3a、3b转移到背板衬底52。元件3a、3b的分离与单块衬底2上的s1相同。随后在衬底52上形成3a、3b时，可以保留这种分离。衬底52可包括光导表面200、202，这些表面具有分离s5并且通常与分离s1相同。可以通过例如模制方法来提供表面200、202。

到微型led3a、3b的其他电连接和热连接(未显示)可以设置有基本相同的分离s1，并且可以例如可以通过光刻处理或印刷来提供。

在替代方法中，可以在没有第一掩模步骤的情况下将微型led3a、3b与单片晶圆2分离。在衬底52上形成后，可在元件3a、3b上形成电极和其他结构。

如图28h中所示，在第七步骤中，棱镜元件250a、250b可以被布置在微型led3a、3b上，其中分离s6可以与分离s1相同。棱镜可以通过模制方法形成。

如图28i所示，在第八步骤中，可以将衬底52对准多个反折射光学元件38。多个反射折射光学元件38可以是单片的和/或可以在透明衬底47上形成。

当形成多个反射折射光学元件38时，可以提供多个反射折射光学元件38的相对空间位置。相应光轴711a、711b的分离s4可以与s1相同，以提供来自相邻反射折射光学元件的相同光输出定向光输出分布。可替代地，分离s4可以不同于s1以提供来自相邻元件的不同定向光输出分布，例如以提供照明设备110的输出在照明设备的整个区域上的光瞳。

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

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

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

有利地，这实现了定向光输出分布的阵列，这些定向光输出分布在微型led3a、3b和相应对准的多个反射折射光学元件38上基本相同。对于具有相同尺寸和取向的发光元件3a、3b的相应元件，光输出定向光输出分布的照明轮廓可以基本相同。

有利地，可以为多个微型led3a、3b或像素微型led203和相应对准反射折射光学元件38中的每个元件提供本文中其他地方描述的均匀性校正实施方案。因此，可以提供统一的照明设备用于背光源、直接显示或环境光照应用。

现在将进一步描述形成照明设备的方法。

图29a-d是示意图，示出了用于形成照明设备110的方法的透视图，该照明设备包括多个微型led3和多个反射折射光学元件38。

如图29a所示，单片晶圆2可以是例如氮化镓，并且可以形成在例如可为蓝宝石的衬底4上。

如图29b所示，可以从单片晶圆2提取非单片的多个微型led3以提供具有分离s1的微型led3a、3b。

如图29c所示，微型led3a、3b可以与电极和其他光学元件(未显示)对准地布置在衬底52上。

如图29d所示，衬底52可以与多个反射折射光学元件38对准并具有分离s4以提供照明设备，使得分离s4可以与分离s1相同。有利的是，可以使用少量的提取步骤在大区域上形成大量的元件，同时保持与相应光学元件阵列的对准。

图30a-b是示意图，示出了照明设备的减薄的侧视图。图30a示出了可以在图29a-d所示的步骤中提供衬底52、47的厚度t1、t2以实现热稳定性和机械稳定性。在操作中，可能期望提供减小的厚度t3、t4，这可以例如通过在图28i和图29d的对准步骤之后对照明设备进行化学机械抛光来实现。此类方法在wo2012052723中进一步公开并通过引用并入本文。例如，可以在制造期间提供厚度为0.4mm的衬底并将其减薄到小于0.1mm的厚度，以提供低装置厚度和柔性。

有利地，可以在实现薄装置轮廓和柔性应用的同时提高制造良率。

期望从大面积的对准光学元件提供多个照明设备。

图31是示意图，示出了照明设备的分割的透视图。图31示出可以从大面积衬底52、47中分割出具有期望定向光输出分布特性的照明设备，例如以提供不同尺寸的元件600、602或不同形状的元件604。可以在每个元件的边缘处提供其他装置密封线601，以提供光学元件的气密密封，并在使用期间减少灰尘和其他材料进入光学元件。

有利地，可以减小制造成本和复杂性，并且可以增加使用期间的可靠性。

图32是示意图，示出了现有技术的led装置31作为微型led3的示例的侧视图。在本说明书中，术语led用于包括半导体led，包括无机led、有机led和聚合物led。

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

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

当通过电极7、9在led装置31上施加电压时，发射12会在8层内发生。

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

可能期望提高微型led3的输出耦接效率。

图33是示意图，示出了将led装置31安装到衬底52上以形成基本上朗伯光输出微型led3的侧视图。进行电连接(未显示)并且在白色发射装置中添加了磷光体或彩色转换层34。另外，可以添加半球形折射结构36，例如模制硅树脂材料，以提高装置的正向光学耦接效率。可替代地，在薄膜倒装芯片结构中，可以使用其中已经移除衬底4的装置1。结构36特别用于通过提供折射率匹配功能将发光元件输出的光耦接到空气中，从而减少发光元件表面以及结构表面处的菲涅耳损耗和全内反射损耗。结构36无法提供任何实质的光导功能，使得如果led具有朗伯输出，则半球形结构的输出也将实质上为朗伯型。

在本实施方案中，微型led3可以与折射辅助光学器件36(诸如半球形结构)的阵列对准并具有分离s7(通常类似于分离s4)，以便有利地实现从发光元件3a、3b到空气中的有效提取。

图34是示意图，示出了已知宏观反射折射光导光学单元件38的侧视图；并且图35是示意图，示出了具有已安装的装置30的宏观光导元件38的布置的侧视图。

表面48可包括多个功能特征。例如，可以结合透镜表面50、漫射器、双凸透镜阵列或其他光学功能。这种元件通过反射和折射光学结构(反射折射)来操作。另外，一些表面可以被金属化，使得借助于全内反射和/或金属化反射来进行反射。典型的结构可以是复合抛物线收集器(cpc)或折射反射内部反射(rxi)元件。

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

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

装置30与输入孔39和光轴711居中对准。光线54穿过表面48、50并平行于光轴52引导。光线56穿过表面42并在表面46处经历全内反射。可替代地，表面46可以涂有反射材料。在装置30从元件38的光轴711侧向移位的情况下，射线54、56将不再与光轴711平行，并且包括射线54、56的最终输出光束的中心可能会与相对于原始期望输出方向54、56角度移位。另外，可以修改角度输出的最终亮度结构。在此类宏观光学元件的阵列中，期望发光元件与光学元件的光学中心准确地对准，使得所有输出光束是平行的。如果不是这种情况，则与单个装置的立体角相比，阵列的最终输出立体角将增加。

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

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

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

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

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