本發(fā)明涉及例如用于在相機(jī)或視頻閃光燈應(yīng)用(諸如用于移動(dòng)電話或其他便攜式移動(dòng)設(shè)備(諸如平板電腦和膝上型計(jì)算機(jī))的閃光燈單元)中使用的緊湊LED照明單元。

背景技術(shù)：

緊湊LED照明單元例如可以被認(rèn)為是具有小于3mm的封裝高度和面積小于100mm²的輸出孔徑的照明單元。這種類型的緊湊照明單元可以被集成到便攜式設(shè)備(諸如移動(dòng)電話)中。

緊湊LED照明單元(諸如閃光燈LED封裝)通常由高功率LED組成，該高功率LED用于生成白光，通常處于大約5500K至6500K色溫下，通過直接與LED封裝集成或憑借用于透鏡和LED封裝的單獨(dú)外殼來與菲涅爾光學(xué)透鏡組合。

這些封裝通常使用覆蓋有磷光體層的高功率藍(lán)色LED，磷光體層將輻射的一部分轉(zhuǎn)換到綠紅光譜范圍內(nèi)，以產(chǎn)生白色點(diǎn)。藍(lán)色LED通常具有1mm²尺寸且安裝在陶瓷支撐基板上。LED基板的總外尺寸例如通常為1.6x2.0mm。一些封裝由于磷光體層而看起來非常黃；其他封裝通過在LED磷光體頂部和周圍成型白色散射材料而被使得看起來白得多。顧客在由菲涅爾透鏡放大時(shí)往往不喜歡黃色外觀，因此即使功效由于額外的白色散射層而降低，有時(shí)也更喜歡看起來斷開狀態(tài)為白色(OSW)的封裝。

這種類型的閃光燈LED例如作為閃光燈單元應(yīng)用于移動(dòng)電話應(yīng)用中(諸如US20100178046中公開的)。為了將光聚集在由相機(jī)捕捉的4:3或16:9場(chǎng)景，通過菲涅爾透鏡準(zhǔn)直初始具有強(qiáng)度的朗伯角分布的閃光燈LED的光。這可以通過將LED封裝和單獨(dú)的菲涅爾透鏡夾緊到例如具有大約3mm的典型高度的封裝組件中來實(shí)現(xiàn)。如上所述，菲涅爾透鏡代之可以與LED封裝組合到薄PCB上，作為一個(gè)集成的更緊湊單元。

圖1示出了具有處于頂表面上的菲涅爾透鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)的緊湊LED照明單元1。透鏡被成型在薄PCB上的LED封裝周圍，并且這例如可以實(shí)現(xiàn)2.2mm的降低的構(gòu)造高度。

菲涅爾透鏡的一個(gè)示例包括面元形式的光學(xué)元件，該光學(xué)元件在透鏡中心折射光，并且在透鏡的外圍向上反射光，以便準(zhǔn)直由LED發(fā)出的光。全折射透鏡也是可能的。

菲涅爾透鏡需要被定位于距離LED的特定最小距離，以便適當(dāng)?shù)刈鳛橥哥R進(jìn)行操作，并且需要LED的位置到菲涅爾透鏡的光學(xué)中心的仔細(xì)對(duì)齊。

具有菲涅爾透鏡的閃光燈LED的構(gòu)造高度對(duì)于移動(dòng)電話制造商非常重要，因?yàn)閰^(qū)別性趨勢(shì)是使移動(dòng)電話越來越薄且將越來越少的空間用于電話內(nèi)部的部件，特別是沿深度方向。因此，電話中部件的構(gòu)造高度的突破非常重要。

除了物理尺寸限制之外，存在對(duì)由閃光燈LED封裝發(fā)出的光束輪廓的具體要求。這些要求與由相機(jī)捕捉的場(chǎng)景的照明有關(guān)，并且例如可以通過將光投射在屏幕上來測(cè)量。例如，可以在離閃光燈單元1m處的具有期望縱橫比(例如4:3)的屏幕上捕捉光，并且例如可以通過將屏幕劃分成21x31個(gè)分析區(qū)域來分析屏幕的區(qū)域。

對(duì)于70至75度范圍內(nèi)的視場(chǎng)(FOV)的主要要求是：

屏幕上的多于10％、優(yōu)選地多于15％、更優(yōu)選地多于20％、甚至更優(yōu)選地為30％或更多的光均勻度(即，平面角落中的最小照度至少為屏幕中心的最大照度的指定百分比)；

屏幕中心處的照度除以總光通量>0.6，更優(yōu)選地>0.7。典型流明輸出水平在1A脈沖操作時(shí)為260lm或更多；這通常在屏幕中心產(chǎn)生多于170lux；

大約為65度至75度的光束輪廓的半高全寬(FWHM)；

通常為5500K至6500K的相關(guān)色溫(CCT)。

用于上述閃光燈的光均勻度通常被定義為屏幕角落處的平均光通量(“l(fā)ux”)除以屏幕中心的lux。圖2示出了何如定義閃光燈規(guī)格，并且示出了投射到屏幕2上的閃光燈單元1。

均勻度被定義為屏幕的中心lux(中心倉(cāng)：bC)除以平均角落lux(角落倉(cāng)：b1、b2、b3、b4)。

均勻度＝bC/(0.25*(b1+b2+b3+b4))。

中心lux(中心倉(cāng)bC)除以閃光燈模塊的總發(fā)出通量(包括未入射在屏幕上的部分)通常為0.6至0.7lux/lm。典型設(shè)置是屏幕離閃光燈模塊1m且屏幕比為4:3的情況下的、沿著對(duì)角線的73度視場(chǎng)。

使用已知菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)的閃光燈單元具有若干限制。如上面指示的，需要在菲涅爾透鏡與LED源之間的基本距離。為了使封裝更薄，需要縮小透鏡和LED封裝的橫向尺寸。這意味著更小的LED，這限制可以生成的光量。比如，對(duì)于1x1mm²的典型LED裸片，具有菲涅爾透鏡的構(gòu)造高度被限于大約2mm。

LED通常以朗伯強(qiáng)度角分布來發(fā)射。在LED與菲涅爾透鏡之間沒有任何附加光學(xué)器件的情況下(附加光學(xué)器件將使閃光燈模塊更大)，菲涅爾透鏡的接受角由從透鏡到發(fā)光表面的距離和透鏡的直徑或橫向尺寸來指定。這基本上是菲涅爾透鏡的數(shù)值孔徑。在該接受角(孔徑)之外發(fā)射的光沒有用且通常被損失掉。將菲涅爾透鏡越來越靠近LED放置以捕捉越來越多的光在根本上是不可能的，因?yàn)檫@需要經(jīng)濟(jì)上不可行的或不可獲得的、具有越來越高的折射率的材料。

由于所需的小封裝尺寸，存在從LED高效提取光的非常小的可能性。因此，封裝通常僅由直接覆蓋藍(lán)色LED的磷光體層組成，這限制效率。菲涅爾透鏡還放大了來自LED上的磷光體的淡黃色外觀，這為顧客所不喜。為了部分補(bǔ)償該淡黃色外觀，可以在LED發(fā)射器上采用白色散射層，這具有降低效率的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明由權(quán)利要求來限定。

根據(jù)本發(fā)明，提供了一種緊湊LED照明單元，該緊湊LED照明單元包括：

反射外殼，該反射外殼具有反射基底和開放頂部；

LED，該LED安裝在反射外殼內(nèi)；

磷光體，該磷光體與LED關(guān)聯(lián)；以及

光束成形裝置，該光束成形裝置在外殼的開放頂部之上，

其中，光束成形裝置包括第一和第二微結(jié)構(gòu)化片，其中第二片相對(duì)于反射基底在第一片之上，第一片包括第一結(jié)構(gòu)化層，并且第二片包括第二結(jié)構(gòu)化層，結(jié)構(gòu)化層具有背朝LED的細(xì)長(zhǎng)的局部平行脊的陣列，并且在每個(gè)脊的峰頂具有頂角，其中，一個(gè)片的脊與另一個(gè)片的脊交叉，使得局部交叉角在30度至150度之間。

該單元使用交叉脊陣列來提供光準(zhǔn)直。這些陣列反射以特定角度入射的光，并將以其他角度入射的光折射到所指定視場(chǎng)內(nèi)的方向中。被反射的光由起光再循環(huán)或混合箱作用的外殼來反射。

在諸如用于閃光燈應(yīng)用(諸如主要用于移動(dòng)電話)的傳統(tǒng)緊湊LED封裝中，菲涅爾透鏡光學(xué)器件與緊湊高功率LED組合，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直由電話相機(jī)捕捉的場(chǎng)景上的光的閃光燈LED封裝。該解決方案具有相對(duì)高的構(gòu)造高度，且需要具有給出相對(duì)低功效的光提取的有限機(jī)會(huì)的小LED源。本發(fā)明的系統(tǒng)使用與具有高反射率的LED封裝組合的不同光束成形原理。該方法允許更低的構(gòu)造高度來實(shí)現(xiàn)更薄的移動(dòng)設(shè)備，并且不限于使用小點(diǎn)源LED，這允許使用更高效率的LED封裝類型。由于微結(jié)構(gòu)化脊的相對(duì)小的尺寸，還使得關(guān)閉狀態(tài)的減輕黃色外觀以及閃光燈單元的形狀的設(shè)計(jì)自由變得可能。

例如，外殼的基底可以具有大約4mm的橫向尺寸，并且具體地它大于LED尺寸。LED芯片可以具有0.5至2mm²之間的面積，而外殼的基底的面積可以具有10至30mm²的面積。脊通常具有10μm至50μm范圍內(nèi)的底寬。通常，與相應(yīng)外殼關(guān)聯(lián)的每個(gè)LED/每個(gè)光束成形裝置包括在大約每片50至1000范圍內(nèi)的每片脊數(shù)，優(yōu)選地，與相應(yīng)外殼關(guān)聯(lián)的每個(gè)LED/光束成形裝置包括在每片100至400個(gè)范圍內(nèi)的脊量的數(shù)目。

因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化光學(xué)層基于獨(dú)立于離源的距離的光再循環(huán)且不使用與菲涅爾透鏡相同的成像光學(xué)器件原理來處理光，所以該設(shè)計(jì)使得能夠減小LED與光束成形光學(xué)器件之間的距離。被反射的光仍然在封裝中的重定向和一些反彈之后離開單元，并且反射產(chǎn)生在開放頂部的整個(gè)區(qū)域之上在期望角范圍內(nèi)出射的光(即使該整個(gè)區(qū)域大于LED本身)。被反射的光被重定向?yàn)橛晒馐尚窝b置透射的角度。

結(jié)構(gòu)化層例如包括箔片，并且它們可以準(zhǔn)直一部分入射光(通常為以大入射角到結(jié)構(gòu)化層的光)，并且將另一部分入射光(通常為接近法角的光)反射回到外殼中以便再循環(huán)。也可以使得LED封裝本身的背側(cè)反射，以提高光再循環(huán)的效率。這比如可以在LED芯片中使用內(nèi)部銀背側(cè)鏡來實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)使得能夠?qū)崿F(xiàn)非常低的整體構(gòu)造高度(諸如低于1mm，例如薄至0.5mm)。實(shí)際上，對(duì)LED發(fā)射器與光束成形裝置之間的距離沒有根本限制。在改變光束成形裝置與LED之間的距離時(shí)，光束成形裝置將仍然以類似方式成形(即，準(zhǔn)直)光。因此，原則上，結(jié)構(gòu)化層可以直接置于LED發(fā)射器之上，以便最小構(gòu)造高度。然而，如果結(jié)構(gòu)化層隨著光被反射回LED的機(jī)會(huì)增加而被放置為更靠近LED，則效率將降低，并且LED發(fā)射器本身與LED封裝周圍的其他封裝材料相比損耗通常更多(因?yàn)檫@些材料可以相對(duì)容易地被制得高度反射)。

在實(shí)踐中，可以在設(shè)計(jì)所需的封裝的構(gòu)造高度與對(duì)應(yīng)于該構(gòu)造高度的效率之間進(jìn)行折衷。

該設(shè)計(jì)還意味著對(duì)于以具有有限橫向尺寸的小LED發(fā)射器開始沒有嚴(yán)格需要。因此，LED芯片面積可以比平常更大(當(dāng)與菲涅爾透鏡組合時(shí))，或者LED封裝可以含有填充外殼的磷光體(有時(shí)被稱為黏糊磷光體)、或更薄磷光體層被定位為離LED源一定距離的附近磷光體構(gòu)造。這些選項(xiàng)產(chǎn)生比平常更大的發(fā)射器尺寸。這種封裝選項(xiàng)不能與菲涅爾透鏡解決方案組合為緊湊閃光燈封裝。

通過實(shí)現(xiàn)更大的LED芯片或磷光體尺寸，可以更高效地從LED封裝提取光，以增強(qiáng)功效和/或生成比平常更多的輸出光(更強(qiáng)的閃光或視頻閃光操作)。

多個(gè)LED發(fā)射器還可以用于光束成形裝置下方。比如，陣列發(fā)射器(諸如覆蓋有磷光體的中功率LED的陣列)可以用作更大面積的發(fā)射器。這可以通過允許使用更低成本的LED來降低成本。

可以使用不同顏色的LED發(fā)射器，諸如具有磷光體的藍(lán)色LED、和紅色LED封裝，或藍(lán)色、綠色以及紅色LED組合，以便在期望的色點(diǎn)產(chǎn)生顏色。結(jié)構(gòu)化層可以用于成形/準(zhǔn)直不同的顏色，但還可以在遠(yuǎn)場(chǎng)混合光。

作為另一個(gè)示例，同一顏色的多個(gè)LED發(fā)射器可以用于同一封裝內(nèi)部，且由同一光束成形結(jié)構(gòu)覆蓋為緊湊多LED發(fā)射器。

再次，通過使用多個(gè)發(fā)射器來使用更大的LED光輸出面積允許更多的光輸出，以制造更強(qiáng)的閃光燈封裝。這可以對(duì)于視頻閃光特別受關(guān)注。

由結(jié)構(gòu)化層反射光幫助調(diào)暗封裝的黃色外觀。當(dāng)一部分發(fā)射光由光學(xué)器件反射回到具有有限磷光體覆蓋的外殼中時(shí)，通過混合來自白色內(nèi)部的光并使從淡黃色LED看到的直接圖像模糊(多個(gè)視差偏移調(diào)暗的LED圖像)，來額外降低黃色外觀。

結(jié)構(gòu)化層的外部外圍比如可以通過將片沖壓成具體形狀來制成任何形狀。光束成形功能不需要光學(xué)器件的外部外圍為圓形(諸如在透鏡中)。根本上那是因?yàn)楣馐喞?dú)立于結(jié)構(gòu)化層上的位置、由每個(gè)微光學(xué)結(jié)構(gòu)化元件(即，每個(gè)脊)來生成。因此，外形可以為三角形、矩形、橢圓形、六角形等。形狀甚至可以用于產(chǎn)生比如移動(dòng)電話公司的商標(biāo)。被成形的光學(xué)器件覆蓋的封裝可以被制成類似的形狀，以匹配光學(xué)器件的形狀。比如，封裝可以為被成型為具體形狀的白色反射成型部件。

如果覆蓋或阻擋光學(xué)器件的一部分以產(chǎn)生圖案、圖像、文本或商標(biāo)，則這可能部分使光調(diào)暗，但將不影響遠(yuǎn)場(chǎng)中的所發(fā)射的光束輪廓。

阻擋光的一個(gè)方式是在光束成形光學(xué)器件的頂部上添加具有沖壓出的形狀的另一個(gè)反射部件(諸如白色反射箔片或鏡面反射鏡箔片)。由此可見，可以不成形光學(xué)器件的外部外圍，但然后可以通過使用覆蓋光學(xué)器件的部分阻擋或反射層來應(yīng)用任何形狀。

如果使用大面積磷光體或大面積LED，則在LED和磷光體中產(chǎn)生的熱量比在傳統(tǒng)解決方案中更多地散開，這使得設(shè)備在脈沖式或DC操作中能夠具有更高的能力以用于提高的熱效率，或者允許離開閃光燈封裝的更高的光通量。

交叉角優(yōu)選地在60至120度之間，更優(yōu)選地在70至110度之間。一個(gè)具體示例具有：一個(gè)片的脊以大致100度(±5度)與另一個(gè)片的脊交叉(這當(dāng)然等效于80度)。這已經(jīng)發(fā)現(xiàn)特別關(guān)注于沿著期望的屏幕比4:3來提供最佳均勻度。代之可以使用90度交叉角。

每個(gè)片的頂部頂角優(yōu)選地在70至130度(更優(yōu)選地在90至110度)的范圍內(nèi)。它們可以相同，但在一個(gè)示例中，兩個(gè)片的頂部角的和在170至220度的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地在190至210度的范圍內(nèi)。由此，如果增大一個(gè)片的角，則可以減小另一個(gè)的角。同樣，通過使用第一結(jié)構(gòu)化層相對(duì)于第二結(jié)構(gòu)化層的不同角，并且使用兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的類似折射率，因?yàn)楣馐匾粋€(gè)方向比沿另一個(gè)方向更準(zhǔn)直，所以可以使得光束圖案非對(duì)稱。這種非對(duì)稱光束輪廓可以用于匹配由相機(jī)采用的4:3或16:9圖像的縱橫比。然而，在實(shí)踐中，完美尖銳的頂角和谷角非常難以實(shí)現(xiàn)，即在實(shí)踐中，頂點(diǎn)的最佳銳度為大約1微米的圓半徑。優(yōu)選地，為了滿足相對(duì)容易的可制造目的，圓半徑小于2微米?？梢栽趫A半徑與光學(xué)性能規(guī)范之間找到折衷(因?yàn)楦统杀镜闹圃煸诟叩膱A半徑的情況下是可能的)。

第一結(jié)構(gòu)化層可以與第一折射率的第一材料接觸(該層將在兩個(gè)微結(jié)構(gòu)化片之間)，并且第二結(jié)構(gòu)化層可以與第二折射率的第二材料接觸(該層將在結(jié)構(gòu)的頂部之上)，其中，第一結(jié)構(gòu)化層的材料具有比第一折射率大的在0.3至0.55之間的折射率，并且第二結(jié)構(gòu)化層的材料具有比第二折射率大的在0.3至0.55之間的折射率。

這些折射率差提供期望的光束成形功能，例如準(zhǔn)直。具體地，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)通過使用更大的折射率差來提高準(zhǔn)直意味著更難以滿足對(duì)(移動(dòng)電話的)相機(jī)閃光燈應(yīng)用的特定要求，所以折射率差相對(duì)低。第一和第二材料可以包括具有1.0的折射率的空氣，使得結(jié)構(gòu)化層具有1.3至1.55的折射率?？諝鈱右部梢员惶峁┰诘谝唤Y(jié)構(gòu)化層下方。

第一和第二材料代之可以包括具有在1.0至1.35(更優(yōu)選地1.0至1.30)范圍內(nèi)的折射率的膠。例如，1.30的膠折射率產(chǎn)生具有1.60至1.85的折射率的結(jié)構(gòu)化層。

第一和第二材料可以為其他低折射率的材料。這將再次改變結(jié)構(gòu)化層的優(yōu)選折射率值，具體地，與使用空氣間隙相比，將需要更高的折射率值，以保持光束成形功能。

對(duì)于關(guān)注的波長(zhǎng)范圍且在使用空氣層時(shí)，兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的材料的折射率的和然后變得處于2.6至3.1的范圍內(nèi)，并且該和更一般地處于2.7至3.0的范圍內(nèi)。例如，每個(gè)結(jié)構(gòu)化層的折射率可以在1.4至1.45的范圍內(nèi)。兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的折射率還可以不同，以便形成更好匹配由相機(jī)取得的圖像的縱橫比的非對(duì)稱光束輪廓。更一般地，兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的材料的折射率的和比上述第一和第二折射率的和大0.6至1.1，更優(yōu)選地大0.7至1.0。

每個(gè)微結(jié)構(gòu)化片可以包括基層和結(jié)構(gòu)化層。第一和第二結(jié)構(gòu)化層可以包括硅酮(諸如甲基硅氧烷或甲基苯基硅氧烷)?；鶎涌梢猿洚?dāng)用于結(jié)構(gòu)層的載體支撐件。然而，結(jié)構(gòu)層由基層來支撐不是必要的(比如，當(dāng)結(jié)構(gòu)層已經(jīng)自支撐時(shí))。

結(jié)構(gòu)的層被選擇為使得結(jié)構(gòu)能夠承受諸如在回流焊接期間遭遇的高溫。

磷光體可以被直接提供在LED之上，或者填充外殼，或者作為第一結(jié)構(gòu)化層下方的層。由此，可以使用應(yīng)用磷光體的不同方式。當(dāng)使用磷光體層時(shí)，磷光體層可以為在LED之上以特定間隔安裝的薄層。

本發(fā)明還提供一種相機(jī)，該相機(jī)包括：

光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器包括傳感器元件的正交的行和列；和

本發(fā)明的相機(jī)閃光燈單元，其中，一個(gè)片的脊相對(duì)于行和列方向成20度至70度之間的角。這提高所捕捉圖像的照明的均勻度。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例，附圖中：

圖1示出了具有在封裝的上表面上的集成菲涅爾透鏡的已知LED閃光燈；

圖2示出了如何表征閃光燈光學(xué)性能；

圖3示出了使用高功率陶瓷上裸片(“DoC”)LED封裝的LED閃光燈的各種示例；

圖4示出了使用陶瓷上裸片封裝和使用所謂基于PSS(預(yù)圖案化藍(lán)寶石基板)技術(shù)封裝的其他更小封裝的LED閃光燈的一些另外示例；

圖5示出了一個(gè)微結(jié)構(gòu)化片的結(jié)構(gòu)；

圖6示出了LED閃光燈結(jié)構(gòu)，其中更清楚地示出光束成形準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)；

圖7示出了給出一個(gè)微結(jié)構(gòu)化片對(duì)來自點(diǎn)光源的光線方向的作用的模擬；

圖8示出了下微結(jié)構(gòu)化片頂部角對(duì)上微結(jié)構(gòu)化片頂部角的圖，以示出其中對(duì)于相對(duì)于屏幕的特定定向滿足照明條件的組合；

圖9示出了用于更放松的照明條件的、與圖8相同的圖；

圖10用于示出上和下微結(jié)構(gòu)化片的折射率對(duì)視場(chǎng)中心的最大照度與總光通量的比的影響；

圖11示出了上和下微結(jié)構(gòu)化片的折射率對(duì)光均勻度的影響；

圖12示出了用于第一組閃光燈準(zhǔn)則的折射率的優(yōu)選組合；

圖13示出了用于第二組更嚴(yán)格閃光燈準(zhǔn)則的折射率的優(yōu)選組合；

圖14示出了作為屏幕相對(duì)于閃光燈模塊的定向的函數(shù)的均勻度；

圖15用于更清楚地示出如何定義屏幕定向；

圖16提供了示出了兩個(gè)交叉結(jié)構(gòu)化層的相對(duì)定向?qū)鶆蚨鹊挠绊懙哪M結(jié)果；

圖17提供了示出了兩個(gè)交叉結(jié)構(gòu)化層的相對(duì)定向?qū)γ靠偭髅鞯闹行膌ux的影響的模擬結(jié)果；

圖18示出了在PSS發(fā)射器上的各種封裝構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)的、具有非常低的構(gòu)造高度的LED閃光燈部件的各種示例；

圖19示出了在一個(gè)封裝中的多LED發(fā)射器閃光燈部件的示例；

圖20示出了兩個(gè)微結(jié)構(gòu)化片的脊結(jié)構(gòu)的一些另選設(shè)計(jì)；以及

圖21示出了使用緊湊LED單元的相機(jī)的示例。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種緊湊LED照明單元，該緊湊LED照明單元例如可以用作相機(jī)閃光燈單元，包括反射外殼，該反射外殼具有反射基底和開放頂部。LED安裝在反射外殼中，并且光束成形裝置被提供在外殼的開放頂部之上。光束成形裝置包括第一和第二微結(jié)構(gòu)化片，每個(gè)微結(jié)構(gòu)化片具有背朝光源的細(xì)長(zhǎng)平行脊的規(guī)則陣列，其中一個(gè)片的脊與另一個(gè)片的脊交叉。在一個(gè)示例中，片的作用是準(zhǔn)直光。大入射角下的光線可以被準(zhǔn)直并透射，而較小入射角下的光線在外殼中回射并再循環(huán)。

用于本發(fā)明的系統(tǒng)中的光束成形裝置執(zhí)行光束成形功能。在光以受控范圍的出射角出射以照亮期望視場(chǎng)的意義上，該功能可以至少部分接近準(zhǔn)直功能。為了易于說明，光學(xué)功能下面將被稱為“準(zhǔn)直”，但將理解，這不應(yīng)被認(rèn)為是限制。

準(zhǔn)直器箔片用于準(zhǔn)直光就其本身而言已知，并且例如以增亮箔片(BEF)的形式用于電視的背光。然而，這些不產(chǎn)生用于相機(jī)閃光燈應(yīng)用的可接受光束輪廓(因?yàn)榫唧w地已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所提供的準(zhǔn)直太強(qiáng)而不能滿足相機(jī)閃光燈要求)。同樣，一些材料不能承受在緊湊LED應(yīng)用中遭遇的高溫。

圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的各種示例實(shí)施例，這些示例實(shí)施例使用具有“點(diǎn)擊(click-on)”帽的高功率陶瓷上裸片(“DoC”)LED封裝10，點(diǎn)擊帽包含起光束成形裝置12作用的雙層光學(xué)片。該雙層結(jié)構(gòu)功能提供光束成形功能，諸如準(zhǔn)直功能。每個(gè)層包括背朝光源的細(xì)長(zhǎng)平行脊的規(guī)則陣列形式的結(jié)構(gòu)化層。LED 10被安裝在形成反射混合箱構(gòu)造的外殼14的基底處。

LED例如是藍(lán)色基于InGaN的二極管，其是附接到陶瓷基座16的裸片。LED可以是在背側(cè)具有電觸點(diǎn)的倒裝芯片裸片。在通常為AlN或Al₂O₃的陶瓷基座16中存在電過孔，使得電觸點(diǎn)還存在于陶瓷基座16的背側(cè)，以使得整個(gè)組件可以使用焊盤焊接在背側(cè)處。

典型封裝尺寸是小于1.5mm(例如小于1.3mm)的高度和在3至5mm范圍內(nèi)的典型寬度。

圖3示出了在實(shí)現(xiàn)磷光體層的方式方面不同的五個(gè)示例。磷光體層的功能是將來自LED源的藍(lán)色輻射的一部分轉(zhuǎn)換到綠/黃色光譜范圍，磷光體層與藍(lán)色LED發(fā)射器組合產(chǎn)生白光輸出。

圖3(a)示出了接近磷光體18。這是用于基于菲涅爾透鏡的閃光燈封裝的傳統(tǒng)磷光體技術(shù)。磷光體直接覆蓋藍(lán)色LED芯片。這意味著所有發(fā)光區(qū)域(芯片輸出和磷光體)具有最小尺寸。這使得發(fā)射器成為小的準(zhǔn)點(diǎn)源，放大的光束成形結(jié)構(gòu)與該小的準(zhǔn)點(diǎn)源對(duì)齊，以準(zhǔn)直所發(fā)射的光，以便閃光燈操作。

圖3(b)示出了相同結(jié)構(gòu)但在外殼中具有包覆件(overmold)19而不是空氣，并且示出了外殼不一定為一體式結(jié)構(gòu)。

圖3(c)示出了填充外殼的磷光體20(有時(shí)被稱為黏糊(goop))的使用。磷光體被分配為粘性液體并固化為固體狀態(tài)。磷光體仍然覆蓋LED芯片，但橫向延伸且通常應(yīng)用于較厚的層中。因?yàn)榧词顾{(lán)色LED發(fā)射器小，磷光體層的發(fā)射也覆蓋較大的區(qū)域，所以增強(qiáng)源區(qū)域。這可以是比僅覆蓋LED裸片和/或上面放置LED裸片的封裝的普通接近磷光體更高效的磷光體系統(tǒng)。

圖3(d)示出了附近磷光體22。這原則上是最高效的磷光體配置，但這種封裝不常見。磷光體不直接置于藍(lán)色LED上，而是被定位為相距短距離(通常在封裝的出射窗中)。在這種配置中，期望用于磷光體層的良好冷卻路徑，這可以受磷光體層與LED基底之間的材料的選擇的影響。圖3(e)示出了玻璃或半透明氧化鋁(多晶氧化鋁PCA)層24的添加。

在圖3(a)至圖3(e)中的每一個(gè)中，整個(gè)設(shè)備為緊湊LED照明單元1。外殼14起反射外殼的作用，其具有反射基底15和開放頂部(在圖6中的附圖標(biāo)記51)。

兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層具有面向上的脊?fàn)钗⒔Y(jié)構(gòu)。脊平行且由此形成棱柱脊/槽結(jié)構(gòu)。片具有通常在30微米至150微米的范圍內(nèi)的厚度(包括基底基板和脊高度)。每個(gè)脊具有在10微米至50微米的范圍內(nèi)的典型寬度。

因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)化片反射回入射光的大部分以被再循環(huán)，所以LED封裝優(yōu)選地為高度反射的(比如>95％)。

低折射率層被提供在LED封裝與光束成形結(jié)構(gòu)之間，并且還被提供在獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)化片之間。通常，低折射率層為空氣界面。部件之間的中間層的該折射率相對(duì)于LED封裝的折射率和微結(jié)構(gòu)化片的折射率是低的。折射率1用于空氣層，LED封裝對(duì)于GaN LED裸片可以具有2.4的折射率，磷光體硅酮可以具有1.4-1.53的折射率。

當(dāng)空氣界面抵靠著微結(jié)構(gòu)化片的結(jié)構(gòu)化表面使用時(shí)，微結(jié)構(gòu)化片的結(jié)構(gòu)化層的折射率例如可以為1.41。

圖4示出了其中兩個(gè)不同高功率LED與中功率LED相比較的另外示例。再次，每個(gè)設(shè)備包括緊湊LED照明單元1。每個(gè)設(shè)備具有高度3，并且圖4中示出了可能高度值的示例。將圖3的陶瓷上裸片(DoC)封裝與所謂的PSS(預(yù)結(jié)構(gòu)化藍(lán)寶石)芯片級(jí)封裝LED 30以及具有接線結(jié)合連接的中功率LED 31進(jìn)行比較。

具有芯片級(jí)封裝PSS技術(shù)的LED不具有陶瓷基座，但在頂部上保持上面沉積InGaN LED層的藍(lán)寶石生長(zhǎng)基板。背側(cè)鍍有使部件背側(cè)可焊接的電連接。與通常使用0.6mm陶瓷基座的DoC封裝相比較，PSS封裝30可以薄得多，大約0.2mm至0.3mm高。

對(duì)于薄閃光燈，PSS結(jié)構(gòu)30允許更薄的閃光燈高度。

中功率LED通常為其中發(fā)射器也被定位于生長(zhǎng)基板(諸如藍(lán)寶石)上的LED，并且向下安裝有藍(lán)寶石基板，該藍(lán)寶石基板通常用裸片附接粘合材料向下膠粘到封裝中。電連接用將封裝內(nèi)的電觸點(diǎn)連接到LED裸片頂部的接線結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。多個(gè)LED可以在封裝中用來實(shí)現(xiàn)所需的光輸出量。

各種中功率LED連接成串，這可以是串聯(lián)連接或并聯(lián)連接。這些中功率LED芯片通常也非常薄，通常在0.2mm至0.3mm高的量級(jí)，這允許薄的整體閃光燈封裝。

圖4組合各種LED類型與各種磷光體類型。磷光體層可以被直接沉積在LED芯片上，這稱為接近磷光體。這種磷光體層可以僅覆蓋芯片的頂部或包括陶瓷基座的封裝的頂部，或者環(huán)繞發(fā)射器，從而還覆蓋透明藍(lán)寶石基板的側(cè)面。此外，磷光體可以填充內(nèi)部放置LED的封裝。這通常被稱為黏糊磷光體，其中磷光體通常由嵌入分配在封裝(諸如白色成型引線框封裝)內(nèi)的硅酮樹脂中的無機(jī)磷光體顆粒組成。這種配置通常比僅覆蓋發(fā)射器裸片的磷光體更高效。此外，磷光體可以根本不覆蓋LED發(fā)射器，而是以小距離分離，通常由一層透明材料(比如，硅酮或玻璃或陶瓷)分離。磷光體層然后被定位于封裝頂部附近，橫向覆蓋封裝，以防止藍(lán)光從封裝泄漏。這種附近磷光體通常比其他上述磷光體類型更高效(只要LED封裝高度反射)。

圖4(a)示出了如圖3(a)中的使用接近磷光體的DoC結(jié)構(gòu)。

圖4(b)示出了使用接近磷光體的PSS結(jié)構(gòu)30，并且示出了封裝高度被降至1mm。PSS LED被焊接到腔外殼(諸如白色硅酮成型引線框封裝)中。接近磷光體可以共形地沉積在PSS芯片周圍。腔外殼通常具有允許閃光燈LED到PCB的另外組裝的背側(cè)觸點(diǎn)。薄外殼、薄PSS以及薄光束成形裝置產(chǎn)生在大約0.6mm至1.2mm高度范圍內(nèi)的整體薄封裝。光束成形裝置12的微結(jié)構(gòu)化片比如可以用粘合膠或用粘合帶附接到外殼的頂部。

圖4(c)示出了使用磷光體的PSS LED封裝30，該磷光體填充外殼，PSS LED封裝30再次在薄反射PCB 32之上具有1.2mm封裝高度，LED芯片和外殼側(cè)壁被安裝在薄反射PCB 32上。外殼可以為被成型到PCB上或用粘合劑附接的成型白硅酮框。當(dāng)磷光體層被限定在發(fā)射器的頂部上時(shí)，由外殼和PCB形成的腔的內(nèi)部?jī)?yōu)選地用黏糊磷光體或用透明封裝材料(諸如硅酮)來填充。薄PCB可以具有用于電連接的、到背側(cè)的互連，但還可以橫向延伸為能夠?qū)⒔佑|接線焊接到電源觸點(diǎn)，電源觸點(diǎn)在外殼區(qū)域外部的PCB頂部上、被連接到LED。

圖4(d)示出了使用磷光體的PSS結(jié)構(gòu)30，該磷光體填充外殼，PSS結(jié)構(gòu)30再次具有1mm封裝高度但具有圍繞LED芯片成型的外殼基底。

圖4(e)示出了如圖3(d)中的使用附近磷光體的DoC結(jié)構(gòu)，并且圖4(f)示出了如圖3(c)所示的使用黏糊磷光體的多個(gè)中功率LED芯片31，其中芯片附接到具有接線結(jié)合連接的外殼的基底處的電觸點(diǎn)。繪制兩個(gè)中功率芯片，但三個(gè)或更多個(gè)芯片還可以用于生成足夠的閃光燈光量。為了容納使用多個(gè)中功率LED的更高區(qū)域，可以增大封裝的橫向尺寸。

除提及的LED類型之外，垂直薄膜(VTF)LED也可以用于給出的示例中，其中，LED具有在與接線結(jié)合連接的發(fā)射器的頂部處的一個(gè)電觸點(diǎn)和朝向用于焊接附接到封裝或PCB的芯片的背側(cè)的一個(gè)電觸點(diǎn)。

由此，PSS芯片可以安裝在被成型在PSS部件周圍的反射外殼中，或者芯片可以被直接焊接到高反射率基板(諸如薄PCB)或預(yù)制光混合封裝(諸如塑料引線芯片載體(PLCC)封裝或類似的引線框部件(比如QFN封裝))。后者預(yù)成型的封裝比直接圍繞PSS芯片成型封裝更容易實(shí)現(xiàn)。

微結(jié)構(gòu)化片可以通過例如經(jīng)由激光圖案化在聚碳酸酯片中產(chǎn)生原模印模來制造。然后可以在硅酮中復(fù)制原模印模，以形成原模的負(fù)面。然后將該第二原模壓印到液體硅酮前體層中，該前體層被涂布到薄基箔片，固化成固體層，并且從硅酮原模印模釋放。這種原模還可以鍍有且覆蓋有金屬(諸如鎳)，以獲得原件的金屬?gòu)?fù)制原模。另選地，原?？梢酝ㄟ^精確切割/加工金屬部分以產(chǎn)生金屬原模來制造。金屬原模板可以通過將一層液體前體材料(諸如硅酮液體)涂布到基箔片載體支撐件上來復(fù)制。硅酮可以熱固化且從原模釋放。另選地，涂布液體可以為諸如可從硅酮供應(yīng)商商購(gòu)的可UV固化的硅酮材料。通過UV曝光，層被固化到使得它可以從具有固定微結(jié)構(gòu)形狀的原模釋放的程度。隨后，可以在烤箱中進(jìn)一步熱固化層，以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)層的完全固化。

除了這些分批處理之外，還可能在卷對(duì)卷涂布設(shè)備上制造箔片，這在光學(xué)膜(諸如增亮膜)的生產(chǎn)中是常見的。在這種設(shè)置中，一卷基箔片被拉動(dòng)通過輥系統(tǒng)，并且比如使用狹縫模具涂布來涂布有圖層前體的薄液體層。然后卷與含有原模結(jié)構(gòu)(比如鎳原模)的旋轉(zhuǎn)滾筒接觸。通過用UV光閃光，前體在與滾筒壓印接觸時(shí)固化，以形成固體微結(jié)構(gòu)層?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)UV固化丙烯酸脂。然而，為了獲得高熱穩(wěn)定性，可以使用硅酮(諸如可UV固化硅酮或混合硅酮材料)，比如硅酮-環(huán)氧材料。

基箔片可以為薄聚碳酸酯或聚酯(諸如PET或PEN)。然而，透明聚酰亞胺箔片(諸如三菱氣體化工公司(商標(biāo))的Neopulim(商標(biāo)))是優(yōu)選的，因?yàn)檫@允許由光束成形光學(xué)器件形成的帽隨著它承受短期暴露于大約260度的高焊接溫度，而在閃光燈LED封裝的回流焊接期間承受高溫。

為了在基箔片與結(jié)構(gòu)化層(微結(jié)構(gòu)被復(fù)制或模壓到結(jié)構(gòu)化層中)之間獲得合適的粘附，可以應(yīng)用粘附促進(jìn)中間層。通常，該粘合促進(jìn)劑作為薄膜被涂布到基箔片上。粘合促進(jìn)劑可以含有反應(yīng)化學(xué)基團(tuán)，比如通過使用對(duì)基箔片的UV-臭氧處理或氧等離子體或電暈處理，反應(yīng)化學(xué)基團(tuán)可以反應(yīng)到基箔片或預(yù)活化基箔片。同樣，粘合促進(jìn)劑層可以含有可以與硅酮或混合硅酮涂層反應(yīng)的反應(yīng)基團(tuán)(諸如氫化物基團(tuán)或碳碳雙鍵)。

倘若實(shí)現(xiàn)足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，以將微光學(xué)層用作具有用于處理并附接到LED設(shè)備的足夠機(jī)械剛度的固體片狀或板狀層，則不是嚴(yán)格要求使用基箔片(因?yàn)槲⒐鈱W(xué)層還可以形成全結(jié)構(gòu)層)。

圖5示出了基層40和結(jié)構(gòu)化層42形式的一個(gè)微結(jié)構(gòu)化片的設(shè)計(jì)。微結(jié)構(gòu)化層42包括脊41，并且每個(gè)脊具有峰頂41a。圖5示出了脊的峰頂41a處的頂部頂角θ，該頂角θ例如可以為90度或100度，或?qū)嶋H上為例如在70至130度范圍內(nèi)的其他角。在優(yōu)選實(shí)施例中，脊側(cè)面如圖所示是對(duì)稱的。低折射率硅酮(例如甲基硅酮型)可以用作具有折射率n＝1.41的結(jié)構(gòu)化層42。因此，形狀為在剖面的深度方向上延伸的棱柱槽結(jié)構(gòu)。

外形可以采取例如使得商標(biāo)或其他符號(hào)能夠在發(fā)光面處可見的任何合適的形式。整個(gè)外殼代之可以被設(shè)計(jì)有期望的美學(xué)形狀。當(dāng)然，外圍可以在不改變光束圖案的情況下簡(jiǎn)單地為方形或矩形、三角形、細(xì)長(zhǎng)條、環(huán)形狀或任何其他形狀。

圖6示出了具有更清楚示出的光束成形光學(xué)器件的設(shè)計(jì)的LED閃光燈單元。光束成形光學(xué)器件具有在外殼14的開放頂部51之上的第一微結(jié)構(gòu)化片50和第一微結(jié)構(gòu)化片之上的第二微結(jié)構(gòu)化片52。它們各具有提供背朝光源的細(xì)長(zhǎng)平行脊的規(guī)則陣列的結(jié)構(gòu)化層。圖6示出了以交叉角53交叉的脊。兩個(gè)正交對(duì)齊的片可以用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向上的準(zhǔn)直。然而，所示的正交定向不是必要的。兩個(gè)片的脊例如可以以30度至150度(更優(yōu)選地50度至130度，更優(yōu)選地70度至110度)的角交叉。圖6還示出了外殼14的側(cè)壁57，并且這些側(cè)壁也是反射的。

片通過其可以為空氣間隙的層55分離，但該層55可以為不同材料(諸如膠)但再次具有比結(jié)構(gòu)化層顯著更低的折射率。這比使用空氣間隙時(shí)要求更高的結(jié)構(gòu)化層的折射率。頂部(第二)片也覆蓋有其可以與層55相同的材料層56(例如，空氣、或用于將平面化保護(hù)層結(jié)合在頂部的膠)。

在空氣間隙的情況下，結(jié)構(gòu)化層42的折射率優(yōu)選地在1.3至1.55的范圍內(nèi)。

基本上，結(jié)構(gòu)需要光學(xué)對(duì)比來起作用。如果片膠粘在一起，則將需要提高結(jié)構(gòu)化層的折射率，并且光學(xué)結(jié)合的折射率需要低?？梢哉业秸凵渎?.4的膠，使得在第一近似中，空氣折射率1至膠折射率1.4的提高需要光學(xué)結(jié)構(gòu)化層的折射率也提高0.4、到1.70至1.95的范圍內(nèi)。這將折射率差維持在0.3至0.55的范圍內(nèi)。

通常，膠將具有在1.3至1.6范圍內(nèi)的折射率。

光在頂端處朝向微結(jié)構(gòu)化片從外殼逸散。根據(jù)微結(jié)構(gòu)化片的折射率和微光學(xué)結(jié)構(gòu)，一部分光被準(zhǔn)直，并且一部分借助于全內(nèi)反射朝向高度反射外殼回射，在外殼中，光被再循環(huán)。所再循環(huán)的光可以由相同機(jī)制再次逸散。效率取決于外殼的反射率、不同介質(zhì)之間的界面處的菲涅爾損耗以及介質(zhì)中的吸收。

在優(yōu)選示例中，各微結(jié)構(gòu)化片具有基層(圖5中的40)和結(jié)構(gòu)化層(圖5中的42)?；鶎颖恢饕x為滿足期望的結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性性。例如，基層可以為聚酰亞胺層(或具有在比如1.4至1.7范圍內(nèi)的折射率的其他材料)。結(jié)構(gòu)化層例如為硅酮層，并且光學(xué)結(jié)構(gòu)在硅酮固化之前壓印有印模。硅酮材料由于用于LED應(yīng)用的完美光熱穩(wěn)定性而是優(yōu)選的。優(yōu)選的硅酮類型為具有大約1.41折射率的甲基硅酮。作為另選方案，可以使用具有1.51至1.53折射率的甲基苯基硅酮類型。通常，結(jié)構(gòu)化層通?？梢跃哂杏糜谑褂每諝忾g隙的實(shí)施方式的1.3至1.55的折射率。因?yàn)榛鶎拥慕缑姹舜似叫星易罱K不影響光線方向，所以基層的折射率不是那么重要。然而，優(yōu)選更低的折射率，使得使空氣界面處的菲涅爾反射最小化。

圖7示出了給出一個(gè)微結(jié)構(gòu)化層對(duì)來自點(diǎn)光源的光學(xué)輸出的作用的模擬。

根據(jù)脊(棱柱)的入射角、折射率(差)以及頂部頂角，一些光線將由于全內(nèi)反射而反射回，而其他光線可以在頂表面處逸出。微結(jié)構(gòu)化片的平滑表面指向光源。入射角由光源尺寸、光源位置以及到光束成形光學(xué)器件的距離來確定。通常對(duì)于遠(yuǎn)程磷光體架構(gòu)(圖3(c)至(e))，發(fā)射輪廓接近于朗伯的，而對(duì)于具有接近磷光體的LED，撞擊微結(jié)構(gòu)化片的光線的角分布可以稍微地更具有方向性，但在所有實(shí)踐情況下將不顯著偏離朗伯分布。因此可以改變的系統(tǒng)的參數(shù)為棱柱的頂部角(頂角)和材料的折射率。

外殼基底(LED所在的地方)與底部微結(jié)構(gòu)化片50之間的空氣間隙的尺寸被保持為盡可能小，以使得整個(gè)模塊盡可能薄。為了保證薄空氣間隙并防止下微結(jié)構(gòu)化片粘到外殼，可以可選地以低密度應(yīng)用小間隔物結(jié)構(gòu)(諸如用以防止兩個(gè)部件在大區(qū)域上彼此觸碰的小球形或棒狀顆粒或支撐桿)。類似地，這種間隔結(jié)構(gòu)可以被設(shè)計(jì)在微結(jié)構(gòu)化片上，以降低下層50的結(jié)構(gòu)化層與上層52的背側(cè)之間的光學(xué)接觸的可能性。比如，疊加到光學(xué)脊，可以在光學(xué)脊的高度的頂部上設(shè)計(jì)輕微突出的低密度桿(諸如高度為10微米至25微米)。這防止頂層52的平坦側(cè)面觸碰微結(jié)構(gòu)的頂部。這種間隔還可以應(yīng)用于頂層52的背側(cè)，比如為大致垂直于下微結(jié)構(gòu)化片50的脊對(duì)齊的條狀間隔物結(jié)構(gòu)的形式。

為了保護(hù)設(shè)備頂部上的微光學(xué)表面結(jié)構(gòu)在處理和使用中免于劃傷和損壞，可以在結(jié)構(gòu)的頂部上添加可選保護(hù)片(通常為透明片，比如為透明聚酰亞胺片)。

為了滿足期望的光學(xué)規(guī)范，可以調(diào)諧以下參數(shù)：

兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的頂部頂角；

在微結(jié)構(gòu)的頂部的圓半徑(rounding radius)和谷的圓半徑方面的、頂部角的形狀準(zhǔn)確度；

結(jié)構(gòu)化層相對(duì)于周圍層的材料(例如，空氣)的折射率；

微結(jié)構(gòu)化片之間的相對(duì)定向角；以及

微結(jié)構(gòu)化片相對(duì)于閃光燈光指向的矩形屏幕(例如具有比4:3)的定向角。

這些參數(shù)的調(diào)諧給出其中滿足規(guī)范的參數(shù)空間?？梢元?dú)立改變兩個(gè)片的頂部頂角、形狀準(zhǔn)確度以及折射率。

兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的最優(yōu)選頂部角在90度至110度的范圍內(nèi)(因?yàn)檫@些角度遵守每總流明的屏幕中心的照度(中心Lux)(CLPlm)>0.7和均勻度>0.3的最嚴(yán)格規(guī)范。

圖8示出了下結(jié)構(gòu)化層頂部角(頂角)對(duì)上結(jié)構(gòu)化層頂部角的圖。所示出的區(qū)域是基于在離散值集處進(jìn)行的模擬、角度的組合滿足上述兩個(gè)條件的區(qū)域。圖8用于正交箔片，其中箔片與屏幕的行/列方向成45度。存在兩個(gè)可能的45度定向，但兩個(gè)定向都給出類似的結(jié)果。該模擬優(yōu)選地假定尖銳的頂角和谷角，而在實(shí)踐中，頂端41a的最佳銳度是大約1微米的圓半徑。還假定用于結(jié)構(gòu)化層的1.41的折射率。優(yōu)選地，圓半徑小于2微米?？梢栽趫A半徑與光學(xué)性能規(guī)范之間找到折衷(因?yàn)楦偷某杀局圃煸诟叩膱A半徑情況下是可能的)。

這些結(jié)果示出頂部角優(yōu)選地在90至110度的范圍內(nèi)。

對(duì)于不太嚴(yán)格的規(guī)范，參數(shù)空間廣泛地開放。

圖9示出了與圖8相同的圖，但示出了其中規(guī)范用于CLPlm>0.6和均勻度>0.2的區(qū)域。

對(duì)于100度的頂部角和棱柱槽方向到屏幕/相機(jī)傳感器的軸線之一的45度定向兩者，圖10示出了上和下微結(jié)構(gòu)化片的折射率對(duì)CLPlm值的影響。用示例的方式，用正交箔片進(jìn)行模擬。y軸標(biāo)繪了下片的結(jié)構(gòu)化層的折射率，并且x軸標(biāo)繪了上片的結(jié)構(gòu)化層的折射率。對(duì)于折射率值的每個(gè)組合，來模擬CLPlm參數(shù)。如由示出了所獲得的CLPlm值的范圍的箭頭表示的，結(jié)果通常是通過增大任一層或兩個(gè)層的折射率來獲得增大的CLPlm值。

由此，每總流明的中心光通量對(duì)于更高的折射率最高：光束更準(zhǔn)直。

再次對(duì)于100度的頂部角和棱柱槽方向到屏幕/相機(jī)傳感器的45度定向，圖11中示出了上和下微結(jié)構(gòu)化片的折射率對(duì)光均勻度的影響。再次，用示例的方式，用正交箔片進(jìn)行模擬。y軸再次標(biāo)繪了下層的折射率，并且x軸標(biāo)繪了上層的折射率。對(duì)于折射率值的每個(gè)組合，來模擬均勻度參數(shù)。如由示出了所獲得的均勻度值的范圍的箭頭表示的，結(jié)果通常是通過減小任一層或兩個(gè)層的折射率來獲得增大的均勻度。

均勻度以類似的方式取決于兩個(gè)層的折射率：良好的均勻度值僅可以在限制層的折射率時(shí)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于空氣界面，在上和下結(jié)構(gòu)化層的折射率為2.6<n_upper+n_lower<3.1時(shí)找到最佳。

更一般地，(結(jié)構(gòu)化層與它們的相鄰材料之間的)折射率差的和處于0.6至1.1的范圍內(nèi)。

對(duì)于圖12中示出的均勻度值>0.2和CLPlm值>0.6的溫和閃光燈準(zhǔn)則，或?qū)τ趫D13中示出的均勻度>0.3和CLPlm>0.7的更嚴(yán)格閃光燈準(zhǔn)則，可以導(dǎo)出折射率的優(yōu)選組合。圖12和圖13用于兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的100度頂部角，并且示出了其中不同折射率值的模擬滿足設(shè)置條件的區(qū)域。

用于兩個(gè)片的100度頂部角的最佳折射率可以被看作是在1.4至1.5折射率范圍內(nèi)的組合折射率2.85。

模擬還示出了均勻度規(guī)范對(duì)交叉的微結(jié)構(gòu)化片相對(duì)于矩形屏幕的定向的強(qiáng)依賴關(guān)系。對(duì)于相對(duì)于屏幕的45度角(類似于135度)，均勻度最高(>0.3)，而對(duì)于0度(類似于90度)，均勻度最低。因此，可能使微結(jié)構(gòu)化片相對(duì)于具有與屏幕相同定向的相機(jī)模塊定向正確對(duì)齊。為了實(shí)現(xiàn)更高的均勻度(諸如高于0.3)，定向角范圍可以被設(shè)置為45±10°。更一般地，角可以在20度至70度的范圍內(nèi)。

每總流明的中心光通量的規(guī)范不依賴于屏幕的定向。

圖14示出了作為屏幕相對(duì)于閃光燈模塊的定向(即，上結(jié)構(gòu)化層相對(duì)于屏幕的脊定向)的函數(shù)的均勻度。該圖用于兩個(gè)層的100度的頂角和兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的1.41的折射率。

可以看到，最大均勻度在45度角(45度和135度)處獲得。

為了使得圖14更清楚，圖15更清楚地示出了箔片定向意味著什么。假定“棱柱箔片1”最靠近屏幕，圖15(a)更清楚地示出了對(duì)應(yīng)于圖14中的45度角的定向，并且圖15(b)更清楚地示出了對(duì)應(yīng)于圖14中的135度角的定向。角度為在以肖像模式觀看屏幕時(shí)需要從左方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以到達(dá)頂部箔片脊的定向的角度。

圖16示出了作為兩個(gè)結(jié)構(gòu)化層的脊之間的相對(duì)角度的函數(shù)的均勻度。這是用于4:3屏幕比的計(jì)算。曲線170用于135度定向(即，圖15(b))，并且曲線172用于45度定向(即，圖15(a))。峰值均勻度在80度或100度處。

x軸示出箔片對(duì)齊角。0度定義平行脊，并且90度定義正交脊。均勻度在最佳和最差相對(duì)角之間變化多于2倍。

圖17示出了作為結(jié)構(gòu)化層之間的相同相對(duì)旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)的每總流明的中心lux。每總流明的中心lux變化小于2％。

根據(jù)這些光學(xué)模擬，可以制定優(yōu)選的一組設(shè)計(jì)規(guī)則，以生成根據(jù)與中心光通量/總流明和屏幕均勻度有關(guān)的期望規(guī)范來照亮屏幕的光束輪廓。應(yīng)注意，如果放松規(guī)范，則也可以放松這些設(shè)計(jì)規(guī)則中的一些：

具有棱柱槽(向上面向的結(jié)構(gòu))的下片的頂部角為70至130度(更優(yōu)選地為90至110度)；

在下光學(xué)結(jié)構(gòu)化層浸入較低折射率空氣層(n＝1)中的情況下，下結(jié)構(gòu)化層的折射率范圍例如可以為1.3至1.55。這意味著光束成形光學(xué)器件覆蓋有空氣的頂側(cè)層，并且到下片的入射光也來自空氣的背側(cè)層。更優(yōu)選地，下結(jié)構(gòu)化層的折射率為1.4至1.45。更一般地，如果使用較低折射率的非空氣浸入層，則結(jié)構(gòu)化層與浸入周圍環(huán)境之間的折射率差為Δn＝0.3-0.55。比如，如果浸入層具有1.3的折射率，則光學(xué)結(jié)構(gòu)化層的折射率應(yīng)為1.6至1.85，因此，組合折射率在3.2至3.7的范圍內(nèi)。

上結(jié)構(gòu)化層(向上面向的結(jié)構(gòu))的頂部角(頂角)也為70至130度(更優(yōu)選地為90至110度)；

上結(jié)構(gòu)化層的折射率范圍為1.3-1.55(并且再次更優(yōu)選地，對(duì)于空氣浸入為1.4-1.45)，但更一般地，折射率差為Δn＝0.3-0.55(由此，上和下結(jié)構(gòu)化層具有相同的規(guī)范范圍)。

下結(jié)構(gòu)化層和上結(jié)構(gòu)化層的折射率之間的關(guān)系對(duì)于空氣浸入為n(下片)+n(上片)＝3.1或更小(更優(yōu)選地為3.0或更小)。

如果層中的任何一個(gè)的折射率靠近范圍的頂端(1.55)，則另一層的折射率可以靠近范圍的底端(1.3)。如果兩個(gè)層具有在范圍的頂端處的折射率，則配置可能對(duì)于指定的頂部角范圍變得太準(zhǔn)直。

下和上微結(jié)構(gòu)化片的頂部頂角之間的聯(lián)系：對(duì)于下片的較小角，上片需要更大的角，反之亦然。組合頂部角例如在170度至220度內(nèi)(優(yōu)選地在190度至210度之間)(對(duì)于結(jié)構(gòu)化層的1.41的折射率)。例如，如果下片的角更高(例如120度)，則下片的頂部角優(yōu)選地更低(例如90度)，合計(jì)為210度；

上微結(jié)構(gòu)化片脊方向與屏幕之間的旋轉(zhuǎn)角：最優(yōu)選地為45+/-10度；

一個(gè)片的脊優(yōu)選地以大致90或100度與另一個(gè)片的脊交叉，使得片沿著期望的屏幕比4：3提供最佳均勻度。更一般地，上和下微結(jié)構(gòu)化片的脊方向之間的角可以在30至150度、更優(yōu)選地50至130度、甚至更優(yōu)選地70至110度的范圍內(nèi)(例如，90或100度)。

如圖16示出的，均勻度對(duì)片的從正交對(duì)齊到平行對(duì)齊的不對(duì)齊敏感，達(dá)高達(dá)2倍。對(duì)于其他屏幕比(比如，16:9)，片之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角可以不同，以便對(duì)于均勻度優(yōu)化。中心lux如圖17所示出的不隨著片的相對(duì)定向而變化很大。

本發(fā)明特別關(guān)注用于移動(dòng)電話的閃光燈LED應(yīng)用中。然而，閃光燈LED模塊還可以用于照相機(jī)或攝像機(jī)上的圖片相機(jī)閃光燈，或者用作集成在其他設(shè)備(諸如平板電腦)中的閃光燈部件的一部分。還可以考慮其他緊湊照明應(yīng)用。

在這些應(yīng)用中，部件的橫向?qū)挾?、所用的LED的數(shù)量、以及輸出光的總量可以大于對(duì)于移動(dòng)電話所需的。除了用于照片的閃光燈脈沖之外，單元還可以對(duì)于視頻閃光燈連續(xù)操作。

上述示例示出了具有反射基底和側(cè)壁的外殼。

圖18示出了各種另選封裝。

圖18(a)示出了沒有側(cè)壁且沒有PCB的封裝。藍(lán)色LED芯片10由載體基板(諸如具有背側(cè)觸點(diǎn)(例如倒裝芯片架構(gòu))的藍(lán)寶石)上的外延層組成。LED芯片10由反射層60(諸如白色硅酮成型)包圍。磷光體涂層61覆蓋該封裝，并且光學(xué)結(jié)構(gòu)層50、52在外圍處用粘合劑附接到該封裝。

注意，在圖18的所有示例中，磷光體被示出為61，但示出不同的磷光體類型。

粘合劑用于將兩個(gè)微結(jié)構(gòu)化片50、52附接到彼此以及將該組件附接到封裝。該粘合劑可以為從液體狀態(tài)固化為固體狀態(tài)的膠，或者可以為一塊粘合帶。粘合帶可以為在部分的連接之后熱固化的帶或UV固化的帶。

圖18(b)示出了其中磷光體層61被限制于發(fā)射器區(qū)域或僅稍大于發(fā)射器區(qū)域的另選封裝。

在圖18(c)中，磷光體61大于芯片但小于封裝的外部尺寸，并且在發(fā)射器與磷光體層之間存在距離，以限定附近磷光體。該間隙通常填充有透明硅酮。

在圖18(d)和18(e)中，邊緣64被成型到封裝上，由此形成具有側(cè)壁的腔。在圖18(d)中，該腔為空的或另選地填充有透明材料(諸如硅酮)。在圖18(e)中，該腔至少填充有至少含有單磷光體材料(比如嵌入硅酮材料中的粉末磷光體材料)的單磷光體層。

圖18(f)示出了平LED封裝10，該封裝包括磷光體61，該磷光體61被框架66上的光學(xué)箔片組件蓋住/覆蓋。框架66被置于封裝周圍，具有間隙，或者框架被結(jié)合在LED封裝周圍，比如通過用透明硅酮或用反射硅酮來填充封裝10與框架66之間的間隙。

圖18的封裝可以具有能夠由客戶將這些封裝焊接到PCB的背側(cè)觸點(diǎn)。另選地，這些封裝可以已經(jīng)預(yù)附接到薄PCB背側(cè)。該背側(cè)PCB可以延伸超出LED封裝區(qū)域。在PCB上，可以附接ESD保護(hù)二極管(諸如瞬態(tài)電壓抑制器)，以防止閃光燈LED組件(還稱為閃光燈LED模塊)被靜電放電損壞。另選地，該保護(hù)二極管可以集成在LED封裝內(nèi)部(諸如反射壁或反射外圍內(nèi)部，或者最不優(yōu)選的腔內(nèi)部)。

作為另一個(gè)示例，多個(gè)LED發(fā)射器可以用于同一封裝內(nèi)部，并且由同一光束成形結(jié)構(gòu)覆蓋為緊湊多LED發(fā)射器(如圖19示出的)。閃光燈的發(fā)射顏色可以通過控制具有不同白色溫的兩個(gè)LED之間的電流比來控制。

圖19示出了在共享基板72上的、具有不同色溫的兩個(gè)LED封裝10a、10b。每個(gè)LED封裝具有其自己的磷光體層61，并且存在透明填充物70以形成單個(gè)整體結(jié)構(gòu)。

然后根據(jù)期望的圖像感知，可以可控地使得閃光燈單元發(fā)出多個(gè)顏色。比如，第一LED可以發(fā)出例如6000K的冷白色，而第二LED可以發(fā)出例如2700K的暖白色。因此，用相機(jī)取得的圖像可以根據(jù)攝影師的希望以冷或暖場(chǎng)景設(shè)置來存儲(chǔ)。因?yàn)閮蓚€(gè)LED可以被置于同一封裝中，所以該雙通道閃光燈可以變得非常緊湊且僅用一個(gè)封裝的成本，而不需要各具有菲涅爾透鏡的兩個(gè)單獨(dú)的閃光燈LED單元，這節(jié)省空間和兩個(gè)透鏡的高成本。

因?yàn)楣蚕矸庋b的頂部上的光束成形光學(xué)器件也具有光混合能力，在通道之間具有可控電流比的兩個(gè)LED的聯(lián)合操作即使與封裝相距小距離時(shí)仍然允許所發(fā)射的光分布的非常良好的光混合。受控電流比允許獨(dú)立LED的極限色溫之間的精確調(diào)諧。

類似地，可以添加第三通道，以跨越顏色可調(diào)的顏色空間，比如以便能夠使色點(diǎn)偏離黑體輻射器(諸如具有黑體線上方的中間色溫的第三封裝)。類似地，可以添加第四通道，或者通常，可以在同一封裝中實(shí)現(xiàn)多通道封裝。

上面提及的是，封裝可以被成形為給出期望的美學(xué)外觀。該外觀可以通過期望形狀外部的光阻擋來獲得。阻擋光的一種方式是在光束成形光學(xué)器件的頂部上添加具有沖壓出的形狀的另一個(gè)反射部件(諸如，白反射箔片或鏡面反射鏡箔片)。由此可見，可以不成形光學(xué)器件的外部外圍，但然后可以通過使用覆蓋光束成形光學(xué)器件的部分阻擋或反射層來應(yīng)用任何形狀。

被阻擋的光優(yōu)選地使用面向光學(xué)片的高度反射材料來再循環(huán)。被阻擋/反射的光將獲得另一個(gè)機(jī)會(huì)：在與光束成形光學(xué)器件和封裝相互作用之后逸出以透射穿過所成形的開口，在光束成形光學(xué)器件和封裝處，它可以被發(fā)送回到光阻擋/反射層(在位置上偏移)。

產(chǎn)生期望形狀的另一種方式是通過用反射材料覆蓋微結(jié)構(gòu)化片(比如頂層)。例如，頂層可以通過在片上分配或打印白反射材料(諸如白硅酮層)來部分覆蓋，該白反射材料將局部填充/覆蓋微光學(xué)表面結(jié)構(gòu)。阻擋層(作為單獨(dú)層或作為沉積在微結(jié)構(gòu)化片上的層)可以被置于光束成形光學(xué)器件的頂部上、頂部與背側(cè)之間。當(dāng)阻擋層用于微結(jié)構(gòu)化片之間時(shí)，阻擋層還可以具有將片一起結(jié)合到一個(gè)箔片組件中的功能，在光以期望光束輪廓透射的區(qū)域處保持微結(jié)構(gòu)化片之間的間隙。

以這些方式，可以在發(fā)射器之上疊加任何期望的形狀，以給出設(shè)備在關(guān)閉狀態(tài)下或處于設(shè)備的調(diào)光操作時(shí)的期望外觀，不使觀看者看不見。

如上所述，已知應(yīng)用散射層來隱藏磷光體的黃色外觀。這可以應(yīng)用于上述示例，特別是使用填充外殼空間的黏糊磷光體的那些示例。上述示例在每個(gè)微結(jié)構(gòu)化片上使用平行直脊的陣列。這些脊可以跨表面區(qū)域具有均勻的節(jié)距。然而，這不是必要的，并且節(jié)距可以局部地變化。在這種情況下，節(jié)距不規(guī)則。提供不規(guī)則節(jié)距的一個(gè)潛在益處是它可以產(chǎn)生脊高度差。下結(jié)構(gòu)化層的最高脊頂部然后可以用于起間隔物的作用，以在允許兩層之間的低光學(xué)接觸面積的同時(shí)支撐頂結(jié)構(gòu)化層。

脊不需要為直的或連續(xù)的。例如，微結(jié)構(gòu)化片的區(qū)域可以被劃分為多個(gè)區(qū)域，其中脊沿那些區(qū)域內(nèi)的不同方向延伸，例如形成棋盤圖案。在每個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，兩個(gè)片的脊以期望的角交叉，以提供兩個(gè)不同方向上的期望準(zhǔn)直。這就是何謂“局部”交叉角。此外，每個(gè)局部區(qū)域內(nèi)的脊平行，而不是每個(gè)片上的所有脊平行。這就是何謂“局部平行”。由此，脊線可以被認(rèn)為形成為一組不連續(xù)脊，每個(gè)不連續(xù)脊具有小于微結(jié)構(gòu)化片的橫向尺寸的長(zhǎng)度。另選地，脊線可以被認(rèn)為跨微結(jié)構(gòu)化片的區(qū)域是之字形的。

圖20示出了可能棱柱結(jié)構(gòu)的三個(gè)示例。

圖20(a)示出了如上所討論的規(guī)則布局，其中所有結(jié)構(gòu)在每個(gè)獨(dú)立箔片內(nèi)平行，并且一個(gè)箔片的平行方向與另一個(gè)正交。

圖20(b)示出了棱柱傳播方向在一個(gè)箔片中的輕微“之字形”偏差和另一個(gè)箔片中的對(duì)應(yīng)圖案，使得局部交叉點(diǎn)保持正交。在一個(gè)箔片(頂部箔片)中，對(duì)于之字形圖案的兩部分，之字形圖案與直線具有大約+15度和-15度的偏差。另一個(gè)箔片然后具有從垂直線偏移相同角的直結(jié)構(gòu)。

圖20(c)示出了具有更強(qiáng)之字形圖案的另外示例，其中沿著一個(gè)之字形線的兩個(gè)棱柱細(xì)長(zhǎng)方向之間的相對(duì)角度大約為90度。不像圖20(b)的示例，這意味著第二片的圖案相同但在空間上偏移，并且它們兩者都是具有90度峰角和90度谷角的規(guī)則三角形波形線。

再次，脊在每個(gè)點(diǎn)處的局部交叉角確定光學(xué)準(zhǔn)直功能。憑借之字形的脊，局部交叉角可以跨微結(jié)構(gòu)化片的整個(gè)區(qū)域不恒定，而被設(shè)計(jì)為滿足所有區(qū)域處的指定最小交叉角要求。

可以例如出于美學(xué)原因而期望具有更復(fù)雜脊結(jié)構(gòu)的這些不同的布置。

頂角對(duì)于每個(gè)結(jié)構(gòu)化層的整體通常恒定。然而，這不是必要的，并且頂角可以跨片變化。該變化通常將僅是小的(例如，在5度內(nèi))，使得所有頂角在給定范圍(諸如90至110度)內(nèi)。

緊湊照明單元通常具有直徑小于8mm的孔徑，但布置使得設(shè)備能夠在不對(duì)應(yīng)增大厚度的情況下增大尺寸。

圖21示出了作為移動(dòng)便攜式設(shè)備80的一部分的相機(jī)。相機(jī)具有相機(jī)光學(xué)傳感器82和本發(fā)明的閃光燈單元84。光學(xué)傳感器包括如還示出的傳感器元件87的正交行85和列86。如上面說明的，一個(gè)片的脊的定向相對(duì)于行或列方向例如成20度至70度之間的角。

如上面討論的，外殼是反射的。具體地，外殼比LED芯片反射性更強(qiáng)。漫反射特性比鏡面反射優(yōu)選，使得光在盡可能少的內(nèi)部反射的情況下離開外殼。白色硅酮可以形成漫射面。

上述示例全部示出兩個(gè)微結(jié)構(gòu)化片。然而，可以提供另外的光學(xué)層，例如以便顏色控制。此外，第三微結(jié)構(gòu)化片可以用作準(zhǔn)直功能的一部分。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在根據(jù)對(duì)附圖、公開內(nèi)容以及所附權(quán)利要求的研究來實(shí)踐所要求保護(hù)的發(fā)明中，理解并實(shí)現(xiàn)所公開實(shí)施例的其他變體。在權(quán)利要求中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。在互相不同的從屬權(quán)利要求中記載特定措施的簡(jiǎn)單事實(shí)，不指示不可以有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)被解釋為限制范圍。