CN102575829A - 光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光源，其中所述光源包括：单片式发射半导体器件；和小透镜的阵列，所述小透镜以光学和机械方式被耦合到所述单片式发射半导体器件；其中所述单片式发射半导体器件包括局部光发射区域的阵列，每一个区域与给定的小透镜相对应；其中所述小透镜具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和小透镜基部直径(D)，所述基部直径为所述小透镜在与所述单片式发射半导体器件交界处的宽度；其中所述C_a与所述f_a之间沿着所述小透镜光轴的距离被归一化，使得C_a位于距离0处，f_a位于点1处；其中每一个局部光发射区域位于距离为大于0且小于式(I)的点处；

并且其中每一个光发射区域的直径为对应小透镜的基部直径的三分之一或更小。

Description

光源

技术领域

本说明书涉及光源，具体地讲涉及具有改善效率的光源以及用于制备此类光源的方法。

发明内容

在一个方面，本专利申请提供了光源。所述光源包括单片式发射半导体器件和小透镜的阵列两者，其中小透镜以机械和光学两种方式被耦合到单片式器件上。单片式器件包括局部光发射区域的阵列，其中每一个区域与给定的具体小透镜相对应。每一个小透镜具有表观曲率中心、表观焦点、曲率半径(R)和基部直径(D)。局部光发射区域位于表观曲率中心(C_a)与表观焦点(f_a)之间沿着光轴的位置处。如果将两个位置之间的距离归一化为零(在C_a处)至一(在f_a处)，那么光发射区域位于该归一化部分上方的光轴上大于零且小于以下函数的点处：-3.6×(R/D)+2.75。每一个光发射区域的直径相当于对应小透镜的基部直径的三分之一或更小。

在另一方面，本专利申请提供了半导体光源。所述光源包括局部光发射区域的单片阵列和小透镜的阵列。每一个小透镜的阵列与发射区域成一对一的关系，并光学耦合到发射区域上。另外，每一个小透镜具有曲率半径(R)、基部直径(D)、表观焦点(f_a)和表观曲率中心(C_a)。发射区域设置在单片阵列中，使得R/D为小于(光轴上从C_a到f_a的负归一化距离的四分之一)+0.8。每一个发射区域的直径相当于与其光学耦合的小透镜的基部直径的三分之一或更小。

在另一方面，本专利申请提供了光源。所述光源包括单片式发射半导体器件和小透镜的阵列。小透镜以光学和机械方式被耦合到单片式器件上，并且其折射率在1.8与3.5之间。单片式器件具有局部光发射区域的阵列，其中每一个区域与给定的小透镜相对应。小透镜各自具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和基部直径(D)，其中R/D在0.5与0.75之间。发射区域设置在它们所对应的小透镜的C_a与f_a之间。另外，每一个发射区域的直径的尺寸被设定为其对应小透镜的基部直径的三分之一或更小。

在第五个方面，本专利申请提供了用于确定局部光发射区域相对于光学耦合小透镜的位置的方法，以便优化发射光的准直和效率。所述方法包括将发射区域设置在小透镜的表观焦点(f_a)与小透镜的表观曲率中心(C_a)之间。从C_a朝向f_a设置的具体距离为总距离的这样的百分比，该百分比为大于零并小于(-3.6×(R/D)+2.75)，其中D为光学耦合光发射区域直径的至少3倍。

在第六个方面，本专利申请为用于确定局部光发射区域相对于光学耦合小透镜的位置的方法，以便优化发射光的准直和效率。所述方法包括将发射区域设置在小透镜的表观焦点与小透镜的表观曲率中心之间。用发射区域与小透镜材料之间的折射率差值来确定从表观曲率中心朝向表观焦点设置的距离百分比。

在另一方面，本专利申请涉及用于形成光源的方法。所述方法包括：首先提供具有局部光发射区域的阵列的单片式发射半导体器件。第二步是将小透镜的阵列形成到单片式器件的光输出表面上，其中每一个小透镜与给定的发射区域相对应。小透镜被形成为使得曲率半径除以小透镜基部直径为小于0.75，并且使得小透镜的表观焦距和小透镜的表观曲率中心围绕发射区域。发射区域设置在表观曲率中心与表观焦点之间。另外，每一个光发射区域的直径相当于对应小透镜的基部直径的三分之一或更小。

在最后一个方面，本专利申请提供了光源。所述光源包括具有第一折射率的单片式发射半导体器件和具有第二折射率的小透镜的阵列。小透镜以光学和机械方式被耦合到单片式器件上。第二折射率与第一折射率之比在0.6与1.5之间。单片式器件具有局部光发射区域的阵列，其中每一个区域与给定的小透镜相对应。小透镜各自具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和基部直径(D)，其中R/D在0.5与0.75之间。另外，发射区域设置在它们所对应的小透镜的C_a与f_a之间。最后，每一个发射区域的直径相当于其对应小透镜的基部直径的三分之一或更小。

附图说明

在整个说明书中参考附图，在这些附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1为具有局部发射区域阵列和小透镜阵列的光源的剖视图。

图2为具有小透镜阵列的光源的单个小透镜部分以及具有局部发射区域阵列的光源的对应的单个发射区域的剖视图。

图3为使用单个小透镜模拟具有多个发射区域的光源的小透镜阵列的模型验证图。

图4为在多个锥角内收集的光源的光输出效率的曲线图。

图5为收集锥角为30°时光发射区域的多个面积的曲线图。

图6为示出光源的折射率对光输出效率的影响的曲线图。

图7为具有小透镜阵列的光源的单个小透镜部分以及具有局部发射区域阵列的光源的对应的单个发射区域的剖视图。

图8为发射区域相对位置与数值的关系图，其中发射区域相对位置在表观焦点与表观曲率中心之间，数值为小透镜的曲率半径与小透镜基部直径之比。

图9为光源的光输出效率与像素保真性的关系图。

具体实施方式

像素化发光器件(PLD)，特别是像素化电致发光器件可用于多种应用，例如用于显示器中、用作光源、用于投影仪照明、用于传感器(如生物传感器)中以及用于数字标牌。显示器应用包括(例如)用于光阀成像器(如透射式LCD成像器)的背光照明，以及用作用于直接投影的成像器(如微型投影仪、便携式投影仪、背投电视和图标/指示器投影)。对于投影仪照明应用而言，例如本文所述的那些像素化发光器件可以提供较短的混合距离。光源应用包括(例如)固态照明(如建筑照明)。背投电视也可以利用单个或多个面板(如分合色立方棱镜)以用于照明。

越来越多的照明应用需要光源产生较窄的光收集角。这些应用包括(例如)投影系统、街灯和汽车前照灯。遗憾的是，这些应用中所用的典型发光材料通常具有非常宽的朗伯发射格局。为了有效地从此类朗伯光源收集窄收集角内的光，需要非常快速的光学器件(即，需要用具有60°或更大的收集半角的光学器件收集至少75％的光)。所需的快速光学器件通常为大的外部光学器件，例如大收集透镜、复合抛物面聚光镜或锥形杆。使用此类光学器件会使照明系统庞大，不利于小型化，例如用于微型投影仪的照明器。

然而，越来越多的得益于窄光收集角的应用还需要光源及与其一起使用的光学器件能够小型化，使得它们可在更紧凑的区域中使用。

此外，当发光二极管用于发射成像器(即，作为用于直接投影的图象源)中时，从一个像素发出的光需要朝观察者被导向，并且不妨碍来自相邻像素的光。换句话讲，光源必须使串扰最小化。在像素表面处发出的光应当是准直的，以使串扰最小化。直接组装在照明源上的小透镜可以提高耦合到外部透镜模块(例如投影系统)中的光的效率，并在像素之间提供最小串扰。

因此，期望具有紧凑、高效和可制造的光源，这种光源可以被投射，以产生像素串扰减小的大的高质量图像。

本专利申请涉及光源，在这种光源中，在LED表面处的小透镜与LED内的局部发射区域正确匹配，以改善进入外部光学器件接收角内的光的提取和准直。该解决方案在投影引擎、定向照明应用和光学扩展量有限的照明引擎方面具有实用价值。此外，本专利申请还涉及具有耦合到器件上的小透镜的LED。该结构显著小于具有外部准直光学器件的类似LED，并且更适于嵌入紧凑的光学系统中。本专利申请的概念还可应用于发射像素化成像器，其用作硅基液晶(LCOS)或微镜阵列(如

)反射微显示成像器的替代形式。相似地，术语“像素化发光器件”(PLD)可以是用于本公开的“光源”。

发射成像器由单独像素的阵列组成。对于彩色成像器而言，这些像素中的每一个可以由多个亚像素构成，其中一个亚像素用于由显示器使用的原色中的每一个，以生成感知色彩图像。最常使用的原色为红色、绿色和蓝色，每个像素都应当具有独立可寻址的红色、绿色和蓝色亚像素，以允许用于生成宽泛的感知色彩范围。在本专利申请中，术语像素用来指显示器的最小可寻址元件。就单色显示器而言，像素应当可能对应被显示的图像的单个像素。就彩色显示器而言，像素应当对应用于显示被显示的图像的像素的主要亚像素元件中的一者。

本专利申请提供了用于紧凑、高效和可制造光源的需要的解决方案，该光源可被投射，以产生像素串扰减小的大的高质量图像。小透镜的阵列中的每一个小透镜可以理解为对应显示器中的像素。光学串扰被定义为在相邻像素上方检测到的而不是在原始源像素上方检测到的来自光源的光通量。换句话讲，它是指光从一个像素传播到相邻像素中，这会降低图像的色彩质量和清晰度。在彩色显示器中，通过导致用于显示与编址的像素不同的原色的相邻像素(亚像素)发光，串扰会减小色域。当来自发射区域的至少60％的光被包含在30°半角内时，可以认为成像器是高效的。半角被定义为锥角的一半。如图2中的224所示。

在一些实施例中，本文所述的器件可以解决上述问题并可以提供若干有益效果。第一个有益效果可以是通过增加进入窄锥角内的光输出来提高器件效率。第二个有益效果可以是通过使发射光准直来增强轴向亮度。第三个有益效果可以是通过减少串扰来提高图像质量。最后，第四个有益效果可以是减小有效地从器件投射光所需的二次光学器件的尺寸，从而减小结构的总体尺寸。此外，通过提高光输出效率和准直，可能需要较少的电能就可以获得所需的光输出。

通过参见图1可以更明确地理解本文所提供的实施例。图1显示了本发明所提供光源100的一个实施例的结构的基本概观。该光源由两个主要元件组成，第一个是单片式发射半导体器件102，第二个是小透镜104的阵列。

单片式发射半导体器件可以是发光二极管(LED)、超发光二极管或光致发光量子阱材料阵列，例如II-VI族半导体。LED的更完整描述可见于(例如)E.F.Schubert，Light Emitting Diodes，2006(E.F.Schubert所著的《发光二极管》，2006年)和S.M.Sze，Physics of SemiconductorDevices，1981(S.M.Sze所著的《半导体器件物理》，1981年)。

小透镜104的阵列被光学(并且在这种情况下被机械)耦合到单片式发射半导体器件102上。在小透镜基部108处进行机械和光学耦合。可以通过在与单片式发射半导体器件102相同的材料中蚀刻小透镜或通过在小透镜基部108处将小透镜104粘附到器件102来实现机械耦合。这些方法将在下文中进行更详细的描述。另外，单片式发射半导体器件102包括局部光发射区域106的阵列。为了简便起见，局部光发射区域106可以简称为“发射区域”。光通常以所有方向从发射区域106发出，其中发射光的某一部分朝小透镜104被导向，以用于透射。通过观察光学耦合到单个发射区域的单个小透镜的更近距离视图，可以更好地了解光源的元件。图2中示出了此类视图。应当理解，虽然图中只示出了阵列的一个部分，但它代表阵列中的所有元件，因此元件可以复数意义表示。

参见图2中的光源200，小透镜的阵列由单独的小透镜204组成。小透镜被光学耦合到单片式发射半导体器件202上。小透镜204的折射率为n2。单片式发射半导体器件的折射率为n3。这些折射率均可以与小透镜发射表面222外部材料(例如，可以是空气)的折射率形成反差。该外部的折射率为n1。嵌入单片式发射半导体器件202中的是局部光发射区域206。

在一些实施例中，小透镜的阵列可以与发射区域阵列是单片集成的，如直接由与发射区域阵列相同的发射材料形成，使得n2等于n3。或者，小透镜的阵列可以由折射率大于或类似于发射区域阵列材料的二次材料制成，并被光学粘合到发射区域阵列上(即，n2≥n3)。在其他实施例中，可能理想的是，发射区域阵列的折射率n3大于或等于小透镜的阵列的折射率n2。当n2不等于n3时，穿过在小透镜基部处的边界的光线会因折射率改变而弯曲。在小透镜与发射区域之间的边界处发生的光折射会产生以下效果：从发射区域穿过该边界的光线会看起来是从与实际光线来源不同的位置发出的。因此，这可以用于定义透镜的四个关键点：1)“几何曲率中心”；2)“表观曲率中心”；3)“几何焦点”；和4)“表观焦点”。对于曲率中心点而言，应该指出的是，可以将提供的点定义为小透镜表面最接近的拟合球面近似值的对应点，而不管小透镜形状是球面还是非球面。焦点可以由通过光线跟踪计算的小透镜形状来定义。“几何曲率中心”210为垂直于球面透镜表面的光线会相交的点，而“表观曲率中心”830(图7)为垂直于球面透镜表面的光线在算上在小透镜-发射区域边界处的折射后会相交的点。当小透镜和发射区域具有相同的折射率(n2＝n3)时，几何曲率中心210和表观曲率中心830是一致的。当小透镜和发射区域具有不同的折射率(n2≠n3)时，几何曲率中心210和表观曲率中心830位于不同的位置。相似地，“几何焦点”212为靠近光轴(傍轴近似)并垂直于小透镜平面的准直光线穿过透镜表面后会相交的点，而“表观焦点”832(图7)为靠近光轴并垂直于小透镜平面的光线在算上在透镜表面处和小透镜-发射区域边界处的折射后会相交的点。当小透镜和发射区域具有相同的折射率(n2＝n3)时，几何焦点212与表观焦点832是一致的。当小透镜与发射区域具有不同的折射率(n2≠n3)时，几何焦点212和表观焦点832位于不同的位置。在一些实施例中，发射区域的位置在表观曲率中心830与表观焦点832之间(沿着两者连接的线段)。

另外可能理想的是了解小透镜的折射率n2与单片式发射半导体器件的折射率n3的关系，以这两个折射率的比率表示。例如，如果将单片式半导体器件的折射率定义为第一折射率，将小透镜的折射率定义为第二折射率，则第二折射率与第一折射率的比率可以具有所需值。当外部折射率n1为大约1时(例如小透镜阵列外部的材料为空气时应当是这种情况)，该最佳值通常在0.6与1.5之间的比率范围内。

对于LED而言，小透镜204可以在生长基底(如蓝宝石、碳化硅、硅或磷化铟)中的半导体202的n型或p型材料中形成，或在耦合到发光材料(例如金刚石、高折射率玻璃、二氧化硅或包括已列出的那些在内的任何其他合适的材料)上的二次材料中形成。生长基底可以理解为半导体n型和/或p型材料在其上“生长”的基底(并且如果小透镜此前未与半导体材料分离，小透镜可以形成到生长基底中)。小透镜也可以由具有一系列折射率或不同折射率(即，整个小透镜的n2并非恒定不变)的层状或渐变材料制成。其他小透镜材料包括可以向器件提供某种功能(例如导电性)的材料。导电材料的实例可为铟锡氧化物(ITO)或其他透明导体(例如固化导电浆料)，以便充当LED的电极。材料的另一个可能功能是可以用作产生与发射区域光不同的光波长的色转换层。在其他实施例中，色转换层可以与单独的小透镜层结合使用。

小透镜的阵列中的至少一个小透镜204可以是球面部分或可以具有近似球体表面的一部分的表面。小透镜也可以近似于半球、柱面(透镜状)或非球面。然而，本文所述的小透镜不应理解为包括菲涅耳透镜。可以根据需要使用小透镜的具体形状来导向光。例如，可以用柱面小透镜提供一个方向的准直光束和另一个方向的朗伯光输出。可以用非球面小透镜进一步控制所有方向的发射光的角分布。已知球面透镜具有一定的像差，当光还从透镜的轴线发出时，这会变得更明显。非球面小透镜的表现与球面透镜非常相同，但可以设计为具有较小的像差。因此，本领域的技术人员可以理解设计成非球面的“非球面小透镜”的当前透镜的定义。为了本发明的目的，仍可以将设计成球面但不完全对称的透镜理解为“球面透镜”。

在一些实施例中，小透镜214的曲率半径可以为大于或等于小透镜基部直径216的二分之一(其中基部宽度等于在小透镜“基部”208处的宽度，或者透镜与单片式发射半导体器件接合的区域)。在其他实施例中，它可以为大于或等于小透镜基部直径216的二分之一，并小于或等于小透镜基部直径216的五分之四。整个一维或二维小透镜的阵列中小透镜的密度和分布都可以是一致的，也可以是变化的。基部直径216(或基部宽度)可以是非圆形小透镜的尺寸。在这种情况下，小透镜的“基部直径”定义为可以在小透镜基部208的平面中且在小透镜的边界内画出的最大圆形的直径。

用于制备发光材料或其生长基底中的一个或多个小透镜的一种方法是光致抗蚀剂回流。在该方法中，将正性光致抗蚀剂涂覆到表面(例如，通过旋涂)上，用掩模进行图案化和曝光，然后显影并加热。后续的加热可以使光致抗蚀剂流动，以形成圆润的形状。然后蚀刻图案化的结构，以在表面上形成光学元件(小透镜)。

用于图案化光学元件的另一种方法是灰度光刻。在该方法中，用任何合适的涂布技术(例如旋涂)将光致抗蚀剂涂覆到表面上。然后通过用灰度掩模(具有多个光密度水平的光刻掩模)进行照片曝光或通过多种无掩模技术(例如激光或电子束直写)在光致抗蚀剂层中形成三维图案。在合适的显影剂中将曝光的光致抗蚀剂显影，以反映三维抗蚀剂结构。通过蚀刻工艺(例如，反应离子刻蚀(RIE))将三维结构转移到下面的材料中。

用于制备发光材料或生长基底中的一个或多个小透镜的其他方法包括纳米压印光刻、(抗蚀剂的)喷墨印刷和干涉光刻。也可以或在蚀刻步骤之后实施这些方法中的每一种。小透镜也可以在二次材料中形成并且被光学和/或机械耦合到单片式发射半导体器件。例如，可以用二次材料模制小透镜，随后通过粘合或晶片键合技术进行粘附或粘结。可行的键合或粘合技术包括热熔粘合剂、焊接、压力、加热或在给定应用中所需的此类方法的任何组合。示例性的热熔粘合剂包括半结晶性聚烯烃、热塑性聚酯和丙烯酸类树脂。示例性的粘结材料可以包括光学透明的聚合物材料、透明蜡、液体、水或硅酸钠型水玻璃和旋涂玻璃。

为了使光源200实现高的光输出效率，将器件分成一系列能够单独寻址的局部光发射区域206。发射区域的直径220可使用垂直于小透镜光轴的平面中的局部光发射区域的半峰全宽(FWHM)来定义。或者，发射区域的直径220可以是发射器内部发射区域的FWHM，它应当是在LED的p-n结处的电流密度分布。发射区域直径220(或发射区域宽度)可以是非圆形发射区域的量度。在这种情况下，发射区域的“直径”被定义为可在垂直于小透镜的光轴的平面内并在发射区域FWHM边界内画出的最大圆形的直径。

每一个局部光发射区域206可以位于电致发光或光致发光材料内。电致发光材料可以包括有机LED材料、III-V族半导体和III族氮化物半导体。当用于本文所述的器件中时，设计成在高电流密度下效率损耗降低的结点(例如Gardner N.F..，Appl.Phys.Lett.91，243506中所述的那些)可以是有利的，因为与没有局部光发射区域的类似器件相比，局部光发射区域很可能在更高的电流密度下工作。光致发光材料可以是单色或多色的，并包括色转换材料，例如II-VI族半导体、荧光体或量子点。虽然特别提到了这些材料，但应当理解，选择的具体材料并不限于特别列举的那些材料，而是应依照材料是否适合给定的应用来选择材料。可以用任何合适的结构(包括(例如)单个量子阱、多个量子阱、同质结、异质结、双异质结等等)来生成发射区域。

可以通过物理移除发射材料(例如通过蚀刻)或通过破坏发射区域周围的发射材料(例如通过掺杂)将光定位在电致发光材料内。或者，可以通过将器件电像素化而将光定位，该器件包括具有电极的连续发射区，这些电极被设计用于将电流沟流到有源区的具体区域中。共同拥有的美国临时申请61/114,237中对电像素化的发光器件有更详细的的描述。将有源区设计为包括空腔效应(如，通过优化从有源区到p型接触金属的距离，并设定用于p型接触金属层的最佳厚度)可以进一步增加向前导向的光。

每一个小透镜204可以具有一个或多个对应的局部光发射区域206。因此，每一个发射区域可将光发射到给定小透镜中，在某些实施例中，它们可以是一一对应的关系。基本上所有的小透镜的基部直径216都为与小透镜分别对齐并光学耦合的发射区域的直径220的至少三倍(或换句话讲，发射区域直径220为小透镜基部直径216的三分之一或更小)。每一个局部光发射区域206可以在各自的小透镜的光轴228上保持居中，并设置在各自的小透镜的曲率中心210与焦点212之间。曲率中心可以定义为小透镜的光轴上的点，即，距离214为小透镜的“曲率半径”。因为在某些情况下存在折射率差异的情况下，曲率中心和焦点看起来在不同位置，所以我们可以定义表观曲率中心和表观焦点(分别参见图7的元件830和832)。这两个点之间具有优化的位置，在该位置处可优化减小的串扰以及提高的准直和效率的函数。根据以下所述的函数来确定该位置。为了使输出光按偏轴角导向，局部光发射区域可以设置在其各自小透镜的光轴的偏轴位置。在图2中，如果发射区域206设置在光轴上方，则发射光通常会相对于光轴以朝下的角度射出，如果发射区域206设置在光轴下方，则发射光通常会相对于光轴以向上的角度射出。当发射区域偏轴时，为了确定其相对于小透镜的表观曲率中心830和表观焦距832的位置，将发射区域的该位置定义为发射区域投射到光轴上的投影。

光源200还可以包括反射性背板226，它位于光输出平面或小透镜的阵列的相对侧。反射器的反射率可以为70％或更高。优选的是，从反射性背板到发射区域的距离为小于小透镜的基部直径的30％，以使得反射图像不会导致串扰增大。也可以用电介质叠堆镜，或通过将薄绝缘体沉积在电极触点的周围，然后在绝缘体上涂覆反射性金属(当然，注意不要让能够单独寻址的电极短路)，将背板制成反射性背板。

发射区域阵列可以包括向像素供电的电触点。电触点可以是可单独对每一个像素寻址的单个触点的形式。单独可寻址电触点可以描述为电极。像素化表面电极可以由本领域已知的任何合适的材料制成，包括(但不限于)金属或金属合金，其包括：金、银、铝、镍、钛、铬、铂、钯、铑、铼、钌、钨、铟以及它们的混合物和合金。电极也可以由透明导电性氧化物形成，例如ITO。可以将单个触点从发射表面或通过沟道从器件的底部附接。通常通过(例如)电子束蒸镀将电极沉积在单片式发射半导体器件的表面上。可以在沉积之后用退火步骤降低电极与半导体表面之间的接触电阻。

电触点也可以是表现为通用电极的格栅形式。与像素化表面相对的表面可以具有电极，该电极可以包含任何合适的金属，例如金、银、铝、铟、上述金属中的任何者的合金和/或透明合金或透明导电性氧化物，如覆盖光源表面的铟锡氧化物(ITO)。电触点格栅可以设置在小透镜之间(即，在像素间区域处)。因此，可以将像素化的光发射区域理解为是按照电极设计通过局部电流注入形成的。

电极通常用外部控制器驱动。当像素化表面电极由电路板寻址时，CMOS基板可以是一个选择。CMOS基板是由集成电路构成的基板，因此可具有向PLD提供安装表面以及电驱动器的双重功能。电极的功能是以位置可调的方式提供通过局部光发射有源区域的电流。可以将每一个单独可寻址电极视为具有对应的开关电路，激活时电流可以通过该开关电路流动。因此，发射表面电极和非发射表面电极的形状和位置以及施加到电极的电压特别重要，因为这些特性有助于确定发射光的空间输出分布。

或者，可以将像素化的光发射区域理解为是通过空间选择性离子注入形成的。

光源可以包括二次光学器件，例如投影透镜，以产生更大的图像。小透镜的阵列可以设置在投影光学器件的输入孔附近。投影光学器件的f/#可以为大于0.5(或数值孔径为小于0.707)。投影光学器件的输入直径(即，最靠近发射区域的透镜元件的通光孔直径)可以为比单片式发射半导体器件的像素阵列的对角线尺寸小两倍。当单片式发射半导体器件用作光源时，单片式发射半导体器件成像器所需的收集角或锥角由在应用中所用的二次光学器件来控制，二次光学器件可以包括用于直接投影应用的投影透镜系统或另外的光学器件，例如立方分束器、立方合色器、硅基液晶(LCOS)面板或数字微镜器件(例如得自Texas Instruments Co.)。

可以变化的特定应用参数包括：发射(n3)、小透镜(n2)和浸渍(n1)材料的折射率；小透镜的几何曲率半径、几何焦点(在给定n2、n3和曲率半径的情况下，可以计算焦点)和高度；发射区域直径220与小透镜直径216之比；收集锥角(或半角224)；小透镜204与发射区域206之间的距离；以及后反射器226与发射区域206之间的距离。通过用这些参数的许多变型进行大规模建模，发现了体现发射区域206沿着光轴相对于小透镜204顶点的最佳位置的关系。这个优化的位置沿光轴位于表观曲率中心与表观焦点之间的某点处，并且可以根据小透镜的曲率半径224和小透镜基部直径216来确定。它根据以下实例来确定。

实例

耦合到小透镜上的高折射率材料的光学建模

建模方法

在LightTools(Optical Research Associates光学跟踪模拟软件，第6.0版)中构建耦合到小透镜上的高折射率材料的光学模型。对光发射材料上的单个小透镜(例如图2所示)建模。发射材料为10×10μm，其中局部光发射区域与小透镜基部之间的距离可变。从发射区域到发射材料底部的距离被固定为0.1μm。局部光发射区域为立方体，其固定厚度为0.1μm并且可从1×1μm变成10×10μm，并且设置在小透镜的主轴(或光轴)处。在整个球面上测得的发射区域的辐射功率为1.0瓦特。发射区域的表面是光学平滑的，只有顶部和底部表面以均一的角度和空间分布发射可以向外方向跟踪的光线。小透镜直径被固定为10μm，同时小透镜曲率半径在5与7.25μm之间变化，小透镜高度在2与5μm之间变化。发射器折射率n3被固定为2.39，其中光密度为0.155，同时小透镜折射率n2在1.6与3.5之间变化，其中光密度为0.155。环境折射率为空气的折射率(n1＝1)。收集锥角可从10°变为80°。发射器的底部固定作为反射器，其反射率为80％。侧壁为完全吸收器(R＝0％)或反射器(R＝100％)。

为了生成小透镜形状，构建了两个组件。第一个是单独的发射器，第二个包括具有纹理的发射器。将第一组件嵌入第二组件中。在小透镜基部处的表面是光学平滑的，具有菲涅耳损失和优选方向的概率分光。第二组件的纹理是光学平滑的，具有菲涅耳损失和优选方向的概率分光。每一次模拟时都将两个组件的侧面光学性质设定为相同的值。

模型中包括远场接收器和近场接收器。无限远场接收器围绕整个板条，从而收集0至360度的经度数据和0至180度的纬度数据。近场接收器设置在光学元件顶面处的小透镜纹理的顶点处，并收集入射光线。空间亮度角可以是变化或固定的，以模拟收集角。

用非顺序的光线痕迹来理解发射光的路径。只有在光线照射到表面1000次后才将其从模拟中移除。每一次模拟都使用10，000条光线。发射区域到小透镜基部的厚度、发光面积、收集锥角和小透镜参数在模型中是变化的。

模拟方法

对具有单个小透镜的发光材料建模，以模拟具有多个任意尺寸的局部光发射区域的发光材料上的小透镜的阵列。图3中的图线示出了以下透镜的光发射效率：具有单个局部光发射区域的单个小透镜、3×3局部光发射区域的阵列上的3×3小透镜的阵列、9×9局部光发射区域的阵列上的9×9小透镜的阵列和15×15局部光发射区域的阵列上的15×15小透镜的阵列。在所有情况下侧壁状况都是100％反射性的。图线验证了用具有单个发射区域的单个小透镜来模拟具有发射区域的小透镜的阵列的有效性。对于大部分发光材料厚度值范围而言，用于每一个阵列尺寸的图线都是重叠的，并且都具有类似的效率值峰值。差值较小是由于一旦光逸出到环境中，光就从相邻的小透镜散射开。

收集锥角及光发射区域到小透镜基部的距离的影响

要求在窄收集锥角内具有高光输出的应用(例如投影系统)需要发光组件发出的大量光进入投影透镜的收集锥角内。

构建模型，以模拟收集锥角对光输出效率的重要性。局部光发射区域被固定为1×1μm，而锥角及发射区域到小透镜基部的厚度是变化的。将小透镜的折射率设定为等于发射区域的折射率(n2＝n3＝2.39)。

图4示出了在多个锥角内收集的光输出效率曲线的汇总。

对于每一个锥角而言，都具有能提供最大光输出效率的发射区域到小透镜基部的距离，它的值取决于锥角。与较宽的收集锥角相比，较窄的收集锥角的最大效率较低，并且位置更靠近焦平面。当在较宽的锥角(例如接近半球，即，锥角＝90°)内收集光时，获得了最大效率。然而，对于光导向应用而言，大约30°的收集锥角更实用。

对于给定锥角，不是当局部光发射区域在焦点处时，而是当发射区域到小透镜基部的距离稍小于从小透镜基部到焦点的距离时，才实现最大光输出效率。每一个锥角的最大光输出效率接近具有最大收集角(90°)的曲线，从而表明存在可忽略不计的高角度光输出，即，较少的杂散光线。

对于没有小透镜的发光材料，在半球内收集的最大光输出为比具有小透镜的发光材料在30°收集锥角内收集的最大光输出小五倍。在发射表面添加小透镜可以为光提供退出高折射率介质进入低折射率材料中的机制，从而提高了光输出效率。对于将光收集到半球状锥角内的应用而言，将光发射器直接放在小透镜的基部处，便可提供较高的光输出效率。然而，对于在窄锥角(大约30°)内收集光的定向光应用而言，例如投影系统，可以发现，当光发射器靠近小透镜(发射区域到小透镜基部的距离为0.5μm至大约2μm)时，会失去准直，而当光发射器远离焦点(发射区域到小透镜基部的距离为大于约3μm)时，小透镜表现出提取特征。不希望受理论的约束，可以将最大光输出效率理解为准直和光提取的组合。

光发射面积和小透镜基部面积的影响

与小透镜耦合的局部光发射区域比具有或没有小透镜的连续光发射区域提供更好的光输出效率。

构建模型，以当发射区域变小时示出最大光输出效率增大。模型用30°的收集锥角来模拟收集到二次光学系统中(例如光导向的应用或投影系统中)的光。通常的投影透镜系统使用的f#为0.866(数值孔径为0.5)，这是对于30°的收集锥角而言的。将多个发光区域与高度和曲率半径为5μm的固定半球状小透镜耦合。将小透镜的折射率设定为等于发射区域的折射率(n2＝n3＝2.39)。

图5示出了用于该模型中所用的局部光发射区域的多个面积的所得曲线。对于每一个面积而言，都是在小透镜的曲率中心与焦点之间发生最大光输出效率。最大值的位置不会随发光面积而显著变化。然而，光输出效率的确取决于发光面积，在最小的发射区域获得光输出效率的最大峰值。因此，小透镜耦合到局部光发射区域上的有益效果随发光面积的增大而减小。

表1提供了具有不同的发光面积/小透镜基部面积之比时的最大光输出效率的汇总。还给出了与在光发射材料表面处没有小透镜的情况相比每一个比率的光输出效率的增大程度。对于0.013的比率，焦点处(位于距离小透镜基部3.6μm处)的光输出效率为0.16，而最大光输出效率(发射区域位于2.0μm处)为0.40。相对于没有小透镜的情况(效率为0.019)，光输出增大了21倍。当将发射区域设置在曲率中心与焦点之间的任何位置处，使发光面积与小透镜基部面积的比率增大到超过大约0.2时，观察到对光输出效率的影响较小。另外，将提取特征添加到高折射率发光表面的步骤已经示出可提供进入30°收集锥角内0.12的光输出效率(当用时域有限差分对具有提取特征的类似光发射器建模时)。因此，就比率为大于大约0.1而言，通过使用小透镜而不是提取特征，很少获得效率的有益效果。

表1：最大光输出效率与发光面积/小透镜面积之比的汇总

小透镜折射率的影响

构建模型，以建立小透镜折射率对光输出效率的影响。小透镜高度和曲率半径被固定为5μm。局部光发射区域被固定为1×1μm。图6示出了小透镜折射率(n2)为1.6、2.0、2.4、2.8和3.0的曲线。与没有小透镜的情况相比，考虑到的具有耦合到发射区域上的小透镜的每一种情况都具有显著更高的光输出效率，与小透镜折射率无关。观察到最大光输出效率随折射率变化，其中最高效率得自最高折射率。

通过计算进一步了解具有最大光输出效率的光源位置。对于具有任意球冠的小透镜：

$H=R-\sqrt{R^2-{\left(\frac{D}{2}\right)}^2}$

其中H为小透镜高度，R为小透镜的曲率半径，D为在基部处测得的小透镜直径。参考图7可以更好地理解贯穿该部分的公式中所用的变量。

根据傍轴几何光学，小透镜的图像焦距f_i为：

$f_i=\frac{n_2}{n_2-n_1}R$

f_i的值为沿着光轴从小透镜顶点V到小透镜焦点的距离。

在模型中，通过调节沿光轴测得的从小透镜基部到发射区域的距离(x_s)来改变局部光发射区域或光源(S)的位置，以获得最大光输出效率。

为了归纳该结果，以沿着光轴在小透镜中的如下两个几何位置之间的相对位置来表示发射区域位置S：(1)曲率中心C和(2)f_i。如果选择小透镜基部作为用于这些计算的原点，那么x_c和x_f的值为：

x_c＝R-H

x_f＝f_i-H

因此，发射区域位置相对于这些主点的缩放位置σ为：

$\mathrm{\σ}=\frac{x_s-x_c}{x_f-x_c}$

并且，如果x_s0为在最大光输出效率处的光源的x位置，那么具有最大光输出效率的发射区域位置的缩放位置σ₀为：

${\mathrm{\σ}}_0=\frac{x_{s0}-x_c}{x_f-x_c}$

图7示出了当将发射区域浸入折射率为n3的材料中时的情况下的单个小透镜结构，其中n3与小透镜部分(球冠)的折射率不同。从V到B的区域的折射率为n2，而B右边的部分的折射率为n3。由上述公式计算小透镜的焦距f_i；然而，当光线横穿在小透镜基部处的边界时，它们因折射率改变而弯曲。通过元件834和836示出了这些光线的弯曲(图7)。该弯曲使几何曲率中心810(C)和焦点812(f_a)看起来在n3介质中的不同位置(表观曲率中心830(C_a)和表观焦点832(f_a)的位置)处。再次使用傍轴近似，从小透镜基部B到表观曲率中心和表观焦点的距离为：

$x_{\mathrm{ca}}=\frac{n_3}{n_2}{x}_c=\frac{n_3}{n_2}(R-H)$

$x_{\mathrm{fa}}=\frac{n_3}{n_2}{x}_f=\frac{n_3}{n_2}(f_i-H)$

前提条件是R＞H，并且f_i＞H。

用这些公式计算在小透镜具有与发射区域介质不同的折射率的情况下最佳发射区域位置的缩放位置σ₀。

${\mathrm{\σ}}_{0a}=\frac{x_{s0}-x_{\mathrm{ca}}}{x_{\mathrm{fa}}-x_{\mathrm{ca}}}$

用被固定为1×1μm的局部光发射区域构建图8。改变小透镜高度和曲率半径，以获得一系列曲率半径与小透镜的基部直径的比率。图8中的曲线包括发光材料折射率被固定为2.39而小透镜折射率为1.6、2.0、2.4、2.8和3.0的变型，以及小透镜和发光材料两者在折射率为1.8和3.5时出现折射率匹配的变型。为了比较折射率和曲率半径的不同情况，将最大光输出效率的绝对位置缩放为其在表观焦点和表观曲率中心之间的相对位置，该值称为σ₀。图8示出了σ₀如何随着小透镜曲率半径与小透镜基部直径比率而变化的情况。因此曲线上的每一个点代表小透镜折射率和曲率半径与小透镜基部直径比率的给定组合的最大光输出效率。由于小透镜基部直径被固定为10μm，所以当发射区域靠近光学曲率中心时，大曲率半径可产生最佳光输出效率解决方案。同样，对于小曲率半径而言，最大光输出效率解决方案是靠近光学焦点S。

对于其他光学元件，可以用类似的步骤来定位具有最大光输出效率的发光位置。图8中具有正方形轮廓的点指示可提供本文所述系统的光输出效率的最大有益效果的情况。这些点获得的效率远高于只有提取特征的情况。图8中沿着虚线的点提供了比提取特征情况高得不太多的效率值。虚线上方和右侧的点提供了与从提取特征获得的光输出效率类似的光输出效率。虚线由以下函数限定：

${\mathrm{\σ}}_0=-3.6\·\left(\frac{R}{D}\right)+2.75$

在一些实施例中，本专利申请提供了使用透镜的器件，从而得到比提取特征可提供的更大效率增益。然而，在需要准直且光输出效率类似于提取特征的应用中，可以使用具有虚线上方或右侧的参数的透镜。

从上述实例，可以确定表观曲率中心830与表观焦点832之间的发射区域806(具有区域直径820)在性能被优化(就光学串扰、效率和光准直而言)的点处的位置关系。

用通过图8画出的线函数示出了该关系。线左侧和下面的点在优化的σ_o距离范围内(0与1之间)。应该提醒的是，σ₀用作归一化距离。在这种情况下，σ₀值为0等同于表观曲率中心位置，σ₀值为1等同于表观焦点。换句话讲，σ₀值等于从表观曲率中心向表观焦点(沿着光轴)行进的分数距离。参见图7，σ₀为由表观曲率中心830和表观焦点832确定的距离，其中总距离818为等于1。

然后可以用优化的线限定相对于曲率半径/小透镜的基部直径的发射区域的适当位置。适当的σ₀位置(大于0)为：

${\mathrm{\&sigma;}}_0<-3.6\&CenterDot;\left(\frac{R}{D}\right)+2.75$

或等同于：

$\frac{R}{D}<-\frac{1}{3.6}\left({\mathrm{\&sigma;}}_0\right)+0.7639$

然而，在容许稍大的误差限度并且需要更接近整数的情况下，则可以表示为：

$\frac{R}{D}<-\frac{1}{4}\left({\mathrm{\&sigma;}}_0\right)+0.8$

也可以用更普遍的方法限定发射区域相对于小透镜的位置的合格的参数。例如，凡是小透镜的折射率在1.8与3.5之间、并且凡是小透镜的曲率半径除以小透镜基部直径为大于0.5并小于0.75的，发射区域都设置在表观曲率中心与表观焦点之间。

为了优化准直和效率，也可以将上述公式视为用于确定局部光发射区域相对于光学耦合小透镜的位置的方法。该方法涉及根据上述公式将元件设置在一定距离处。或者，可以用局部光发射区域与小透镜材料(n3和n2)之间的折射率差值来确定设。

确定发射区域空间设置的另一种合适方法应当归入更普遍的方法中。因此，不是遵循图8的线函数，而是通过使曲率半径除以小透镜基部直径为小于0.75来确定设置，从而将像素化成像器设置在表观曲率中心与表观焦点之间。

串扰最小化

为了在包括发射成像器件在内的应用中获得高质量图像，极其重要的是将由每一个像素发出的光导向为从该像素正上方射出。用本文所述的器件条件建立模型，以模拟串扰的最小化。模型包括耦合到单个半球状小透镜上的单个局部光发射区域。侧壁选择为0％反射性的或100％反射性的。所述0％反射性侧壁允许模拟退出像素但未进入相邻像素中的光的一部分(即，吸收照射到侧壁的光的能力与吸收传播到相邻像素中的任何光的能力是相同的)。所述100％反射性侧壁允许模拟退出像素阵列的光的总量与从哪个像素退出无关。

串扰水平可以用像素保真性Φ表示，它是0％反射性侧壁的效率与100％反射性侧壁的效率之比，或者串扰的倒数(定义为退出所有像素的光的量除以退出所需像素的光的量)：

图9示出了两种反射条件的光输出效率的曲线。

可以看出，两条曲线之间的峰值光输出效率变化非常小。图9的第二y轴上包括像素保真性。需要的是接近1.0的高像素保真性指标，因为这表明从发射区域收集的光中的大部分都通过其相关的小透镜退出。最优选的是该指标在0.8与1.0之间。当光发射区域与小透镜基部之间的距离增大时，像素保真性指标Φ降低，因此串扰增大。高保真性与高光输出效率之间存在相关性，从而表明光不是被随机提取的，而是从其对应的局部光发射区域的正上方射出；可以获得优化的光输出效率和最小化的串扰两者的有益效果。

Claims (37)

1.一种光源，包括：

单片式发射半导体器件；和

小透镜的阵列，所述小透镜以光学和机械方式被耦合到所述单片式发射半导体器件；

其中所述单片式发射半导体器件包括局部光发射区域的阵列，每一个所述局部光发射区域与给定的小透镜相对应；

其中所述小透镜具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和小透镜基部直径(D)，所述基部直径为所述小透镜在与所述单片式发射半导体器件交界处的宽度；

其中在所述C_a与所述f_a之间沿着小透镜光轴的距离被归一化，使得C_a位于距离0处，f_a位于点1处；

其中每一个所述局部光发射区域位于距离为大于0且小于

的点处；并且

其中每一个所述局部光发射区域的直径为对应小透镜基部直径的三分之一或更小。

2.根据权利要求1所述的光源，其中从所述单片式发射半导体器件发出的光的60％在30度半角的圆锥内从所述小透镜的阵列射出。

3.根据权利要求1所述的光源，其中每一个所述小透镜对应于像素，并且所述光源的像素保真性指标为0.8至1.0之间。

4.根据权利要求1所述的光源，其中所述单片式发射半导体器件包括LED、超发光二极管或光致发光量子阱材料阵列。

5.根据权利要求1所述的光源，其中所述小透镜和所述局部光发射区域各自具有折射率，所述小透镜的折射率等于或大于所述局部光发射区域的折射率。

6.根据权利要求1所述的光源，其中所述小透镜和所述局部光发射区域各自具有折射率，所述小透镜的折射率等于或小于所述局部光发射区域的折射率。

7.根据权利要求1中任一项所述的光源，其中所述单片式发射半导体器件包含半导体材料，并且其中所述小透镜被形成到所述半导体材料中。

8.根据权利要求1中任一项所述的光源，其中所述小透镜被形成到生长基底中。

9.根据权利要求1中任一项所述的光源，其中所述小透镜被形成到耦合到半导体材料的二次材料中。

10.根据权利要求9所述的光源，其中所述小透镜是模制的。

11.根据权利要求10所述的光源，其中模制的所述小透镜随后通过粘合或晶片键合技术被粘合到所述单片式发射半导体器件。

12.根据权利要求1所述的光源，其中所述局部光发射区域是能够单独寻址的。

13.根据权利要求1所述的光源，其中所述局部光发射区域位于电致发光材料或光致发光材料内。

14.根据权利要求1所述的光源，还包括反射性背板，所述反射性背板位于所述单片式发射半导体器件的背向所述小透镜的阵列的表面上。

15.根据权利要求1所述的光源，其中所述小透镜的阵列中的至少一个小透镜被成形为球面小透镜、柱面小透镜或非球面小透镜。

16.一种半导体光源，包括：

局部光发射区域的单片阵列；和

小透镜的阵列，每一个小透镜与所述局部光发射区域成一一对应的关系，并且被光学耦合到所述局部光发射区域以接收来自所述局部光发射区域的光；

其中每一个所述小透镜具有曲率半径(R)、小透镜基部直径(D)、表观焦点(f_a)和表观曲率中心(C_a)，

其中

其中σ_o为C_a与f_a之间的负归一化距离；

并且其中每一个所述局部光发射区域的直径为与其光学耦合的所述小透镜的基部直径的三分之一或更小。

17.根据权利要求16所述的光源，其中从所述局部光发射区域的单片阵列发出的光的60％在30度半角的圆锥内从所述小透镜的阵列射出。

18.根据权利要求16中任一项所述的光源，其中所述小透镜和所述局部光发射区域各自具有折射率，所述局部光发射区域的折射率等于或大于所述小透镜的折射率。

19.根据权利要求16中任一项所述的光源，其中所述小透镜和所述局部光发射区域各自具有折射率，所述局部光发射区域的折射率等于或小于所述小透镜的折射率。

20.根据权利要求16中任一项所述的光源，其中所述局部光发射区域的阵列被形成到与所述小透镜的阵列相同的单片式结构中，所述局部光发射区域和所述小透镜包含相同的材料。

21.根据权利要求16中任一项所述的光源，其中所述局部光发射区域是能够单独寻址的。

22.根据权利要求16中任一项所述的光源，其中所述局部光发射区域位于电致发光材料或光致发光材料内。

23.根据权利要求16中任一项所述的光源，还包括反射性背板，所述反射性背板位于所述局部光发射区域的单片阵列的背向所述小透镜的单片阵列的一侧上。

24.根据前述权利要求中的任何一项所述的光源，其中所述小透镜的阵列中的至少一个小透镜被成形为球面小透镜、柱面小透镜或非球面小透镜。

25.一种光源，包括：

单片式发射半导体器件；和

小透镜的阵列，所述小透镜以光学和机械方式被耦合到所述单片式发射半导体器件，并且所述小透镜的折射率在1.8与3.5之间；

其中所述单片式发射半导体器件包括局部光发射区域的阵列，每一个所述局部光发射区域与给定的小透镜相对应；

其中所述小透镜具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和基部直径(D)，D为所述小透镜在与所述单片式发射半导体器件交界处的宽度；

其中 $0.75>\frac{R}{D}>0.5;$

其中每一个所述局部光发射区域设置在与其对应的小透镜的C_a与f_a之间；并且

其中每一个所述局部光发射区域的直径为与其对应的小透镜的基部直径的三分之一或更小。

26.根据权利要求25所述的单片式光源，其中所述小透镜的阵列被机械耦合到所述局部光发射区域的阵列。

27.一种用于确定局部光发射区域相对于光学耦合的小透镜的设置以便优化发射光的准直和效率的方法，包括：将所述局部光发射区域定位在所述小透镜的表观焦点(f_a)与所述小透镜的表观曲率中心(C_a)之间，其中从C_a朝f_a设置的距离的百分比(σ_o)具有以下关系：0＜σ_o＜

其中D为光学耦合的局部光发射区域直径的至少3倍。

28.一种用于确定局部光发射区域相对于光学耦合的小透镜的设置以便优化发射光的准直和效率的方法，包括：将所述局部光发射区域定位在所述小透镜的表观焦点与所述小透镜的表观曲率中心之间，其中通过所述局部光发射区域与所述小透镜材料之间的折射率差值来确定从所述表观曲率中心朝所述表观焦点设置的距离的百分比。

29.一种用于制造光源的方法，包括：提供具有像素化的光发射区域的阵列的单片式发射半导体器件；以及将小透镜的阵列形成到所述单片式发射半导体器件的光输出表面上，其中每一个小透镜与光发射区域相对应，所述小透镜形成为使得所述小透镜的曲率半径除以小透镜基部直径为小于0.75，并且使得所述小透镜的表观焦距和所述小透镜的表观曲率中心围绕所述像素化的光发射区域，其中所述像素化的光发射区域被设置在所述表观曲率中心至所述表观焦点之间，并且其中每一个所述光发射区域具有的直径为对应小透镜基部直径的三分之一或更小。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述单片式发射半导体器件的所述光输出表面包含与形成所述光发射区域的材料不同的材料，所述光输出表面被粘合到所述光发射区域。

31.根据权利要求30所述的方法，其中在所述小透镜被形成到所述光发射区域上之前，所述光输出表面被粘合到所述光发射区域。

32.根据权利要求30所述的方法，其中在所述小透镜被形成到所述光发射区域上之后，所述光输出表面被粘合到所述光发射区域。

33.根据权利要求29所述的方法，其中所述光输出表面和所述光发射区域由相同的材料构成。

34.根据权利要求33所述的方法，还包括将所述光输出表面的材料蚀刻成小透镜形状。

35.根据权利要求29中任一项所述的方法，其中所述小透镜的阵列通过第一步的光致抗蚀剂回流、灰度光刻、纳米压印光刻、抗蚀剂喷墨印刷或干涉光刻，然后经过第二步的蚀刻来形成。

36.根据权利要求29中任一项所述的方法，其中所述像素化的光发射区域通过由电极设计的局部电流注入或通过空间选择性离子注入来形成。

37.一种光源，包括：

单片式发射半导体器件，所述单片式发射半导体器件具有第一折射率；和

小透镜的阵列，所述小透镜的阵列具有第二折射率，所述小透镜以光学和机械方式被耦合到所述单片式发射半导体器件，

其中所述第二折射率与所述第一折射率之比在0.6与1.5之间；

其中所述单片式发射半导体器件包括局部光发射区域的阵列，每一个所述局部光发射区域与给定的小透镜相对应；

其中所述小透镜具有表观曲率中心(C_a)、表观焦点(f_a)、曲率半径(R)和基部直径(D)，D为所述小透镜在与所述单片式发射半导体器件交界处的宽度；

其中 $0.75>\frac{R}{D}>0.5;$

其中每一个所述局部光发射区域设置在与其对应的小透镜的C_a与f_a之间；并且

其中每一个所述局部光发射区域的直径为与其对应的小透镜的基部直径的三分之一或更小。

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