CN106662795A - 紧凑led照明单元 - Google Patents

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Abstract

一种用于相机闪光灯应用的紧凑LED照明单元(1)包括：反射外壳(14)，该反射外壳具有反射基底(15)和开放顶部(51)；LED(10)，该LED安装在反射外壳(14)内；以及光束成形箔片堆(12)，被提供在外壳(14)的开放顶部上；其中，箔片堆(12)包括第一和第二微结构化片(50、52)，每个微结构化片具有背朝LED的细长的局部平行的脊(41)的阵列，其中，一个片的脊与另一个片的脊局部交叉成30度至150度范围内的角。

Description

紧凑LED照明单元
技术领域
本发明涉及例如用于在相机或视频闪光灯应用(诸如用于移动电话或其他便携式移动设备(诸如平板电脑和膝上型计算机)的闪光灯单元)中使用的紧凑LED照明单元。
背景技术
紧凑LED照明单元例如可以被认为是具有小于3mm的封装高度和面积小于100mm2的输出孔径的照明单元。这种类型的紧凑照明单元可以被集成到便携式设备(诸如移动电话)中。
紧凑LED照明单元(诸如闪光灯LED封装)通常由高功率LED组成，该高功率LED用于生成白光，通常处于大约5500K至6500K色温下，通过直接与LED封装集成或凭借用于透镜和LED封装的单独外壳来与菲涅尔光学透镜组合。
这些封装通常使用覆盖有磷光体层的高功率蓝色LED，磷光体层将辐射的一部分转换到绿红光谱范围内，以产生白色点。蓝色LED通常具有1mm2尺寸且安装在陶瓷支撑基板上。LED基板的总外尺寸例如通常为1.6x2.0mm。一些封装由于磷光体层而看起来非常黄；其他封装通过在LED磷光体顶部和周围成型白色散射材料而被使得看起来白得多。顾客在由菲涅尔透镜放大时往往不喜欢黄色外观，因此即使功效由于额外的白色散射层而降低，有时也更喜欢看起来断开状态为白色(OSW)的封装。
这种类型的闪光灯LED例如作为闪光灯单元应用于移动电话应用中(诸如US20100178046中公开的)。为了将光聚集在由相机捕捉的4:3或16:9场景，通过菲涅尔透镜准直初始具有强度的朗伯角分布的闪光灯LED的光。这可以通过将LED封装和单独的菲涅尔透镜夹紧到例如具有大约3mm的典型高度的封装组件中来实现。如上所述，菲涅尔透镜代之可以与LED封装组合到薄PCB上，作为一个集成的更紧凑单元。
图1示出了具有处于顶表面上的菲涅尔透镜光学结构的紧凑LED照明单元1。透镜被成型在薄PCB上的LED封装周围，并且这例如可以实现2.2mm的降低的构造高度。
菲涅尔透镜的一个示例包括面元形式的光学元件，该光学元件在透镜中心折射光，并且在透镜的外围向上反射光，以便准直由LED发出的光。全折射透镜也是可能的。
菲涅尔透镜需要被定位于距离LED的特定最小距离，以便适当地作为透镜进行操作，并且需要LED的位置到菲涅尔透镜的光学中心的仔细对齐。
具有菲涅尔透镜的闪光灯LED的构造高度对于移动电话制造商非常重要，因为区别性趋势是使移动电话越来越薄且将越来越少的空间用于电话内部的部件，特别是沿深度方向。因此，电话中部件的构造高度的突破非常重要。
除了物理尺寸限制之外，存在对由闪光灯LED封装发出的光束轮廓的具体要求。这些要求与由相机捕捉的场景的照明有关，并且例如可以通过将光投射在屏幕上来测量。例如，可以在离闪光灯单元1m处的具有期望纵横比(例如4:3)的屏幕上捕捉光，并且例如可以通过将屏幕划分成21x31个分析区域来分析屏幕的区域。
对于70至75度范围内的视场(FOV)的主要要求是：
屏幕上的多于10％、优选地多于15％、更优选地多于20％、甚至更优选地为30％或更多的光均匀度(即，平面角落中的最小照度至少为屏幕中心的最大照度的指定百分比)；
屏幕中心处的照度除以总光通量>0.6，更优选地>0.7。典型流明输出水平在1A脉冲操作时为260lm或更多；这通常在屏幕中心产生多于170lux；
大约为65度至75度的光束轮廓的半高全宽(FWHM)；
通常为5500K至6500K的相关色温(CCT)。
用于上述闪光灯的光均匀度通常被定义为屏幕角落处的平均光通量(“lux”)除以屏幕中心的lux。图2示出了何如定义闪光灯规格，并且示出了投射到屏幕2上的闪光灯单元1。
均匀度被定义为屏幕的中心lux(中心仓：bC)除以平均角落lux(角落仓：b1、b2、b3、b4)。
均匀度＝bC/(0.25*(b1+b2+b3+b4))。
中心lux(中心仓bC)除以闪光灯模块的总发出通量(包括未入射在屏幕上的部分)通常为0.6至0.7lux/lm。典型设置是屏幕离闪光灯模块1m且屏幕比为4:3的情况下的、沿着对角线的73度视场。
使用已知菲涅尔透镜设计的闪光灯单元具有若干限制。如上面指示的，需要在菲涅尔透镜与LED源之间的基本距离。为了使封装更薄，需要缩小透镜和LED封装的横向尺寸。这意味着更小的LED，这限制可以生成的光量。比如，对于1x1mm2的典型LED裸片，具有菲涅尔透镜的构造高度被限于大约2mm。
LED通常以朗伯强度角分布来发射。在LED与菲涅尔透镜之间没有任何附加光学器件的情况下(附加光学器件将使闪光灯模块更大)，菲涅尔透镜的接受角由从透镜到发光表面的距离和透镜的直径或横向尺寸来指定。这基本上是菲涅尔透镜的数值孔径。在该接受角(孔径)之外发射的光没有用且通常被损失掉。将菲涅尔透镜越来越靠近LED放置以捕捉越来越多的光在根本上是不可能的，因为这需要经济上不可行的或不可获得的、具有越来越高的折射率的材料。
由于所需的小封装尺寸，存在从LED高效提取光的非常小的可能性。因此，封装通常仅由直接覆盖蓝色LED的磷光体层组成，这限制效率。菲涅尔透镜还放大了来自LED上的磷光体的淡黄色外观，这为顾客所不喜。为了部分补偿该淡黄色外观，可以在LED发射器上采用白色散射层，这具有降低效率的缺点。
发明内容
本发明由权利要求来限定。
根据本发明，提供了一种紧凑LED照明单元，该紧凑LED照明单元包括：
反射外壳，该反射外壳具有反射基底和开放顶部；
LED，该LED安装在反射外壳内；
磷光体，该磷光体与LED关联；以及
光束成形装置，该光束成形装置在外壳的开放顶部之上，
其中，光束成形装置包括第一和第二微结构化片，其中第二片相对于反射基底在第一片之上，第一片包括第一结构化层，并且第二片包括第二结构化层，结构化层具有背朝LED的细长的局部平行脊的阵列，并且在每个脊的峰顶具有顶角，其中，一个片的脊与另一个片的脊交叉，使得局部交叉角在30度至150度之间。
该单元使用交叉脊阵列来提供光准直。这些阵列反射以特定角度入射的光，并将以其他角度入射的光折射到所指定视场内的方向中。被反射的光由起光再循环或混合箱作用的外壳来反射。
在诸如用于闪光灯应用(诸如主要用于移动电话)的传统紧凑LED封装中，菲涅尔透镜光学器件与紧凑高功率LED组合，以实现准直由电话相机捕捉的场景上的光的闪光灯LED封装。该解决方案具有相对高的构造高度，且需要具有给出相对低功效的光提取的有限机会的小LED源。本发明的系统使用与具有高反射率的LED封装组合的不同光束成形原理。该方法允许更低的构造高度来实现更薄的移动设备，并且不限于使用小点源LED，这允许使用更高效率的LED封装类型。由于微结构化脊的相对小的尺寸，还使得关闭状态的减轻黄色外观以及闪光灯单元的形状的设计自由变得可能。
例如，外壳的基底可以具有大约4mm的横向尺寸，并且具体地它大于LED尺寸。LED芯片可以具有0.5至2mm2之间的面积，而外壳的基底的面积可以具有10至30mm2的面积。脊通常具有10μm至50μm范围内的底宽。通常，与相应外壳关联的每个LED/每个光束成形装置包括在大约每片50至1000范围内的每片脊数，优选地，与相应外壳关联的每个LED/光束成形装置包括在每片100至400个范围内的脊量的数目。
因为结构化光学层基于独立于离源的距离的光再循环且不使用与菲涅尔透镜相同的成像光学器件原理来处理光，所以该设计使得能够减小LED与光束成形光学器件之间的距离。被反射的光仍然在封装中的重定向和一些反弹之后离开单元，并且反射产生在开放顶部的整个区域之上在期望角范围内出射的光(即使该整个区域大于LED本身)。被反射的光被重定向为由光束成形装置透射的角度。
结构化层例如包括箔片，并且它们可以准直一部分入射光(通常为以大入射角到结构化层的光)，并且将另一部分入射光(通常为接近法角的光)反射回到外壳中以便再循环。也可以使得LED封装本身的背侧反射，以提高光再循环的效率。这比如可以在LED芯片中使用内部银背侧镜来实现。
设计使得能够实现非常低的整体构造高度(诸如低于1mm，例如薄至0.5mm)。实际上，对LED发射器与光束成形装置之间的距离没有根本限制。在改变光束成形装置与LED之间的距离时，光束成形装置将仍然以类似方式成形(即，准直)光。因此，原则上，结构化层可以直接置于LED发射器之上，以便最小构造高度。然而，如果结构化层随着光被反射回LED的机会增加而被放置为更靠近LED，则效率将降低，并且LED发射器本身与LED封装周围的其他封装材料相比损耗通常更多(因为这些材料可以相对容易地被制得高度反射)。
在实践中，可以在设计所需的封装的构造高度与对应于该构造高度的效率之间进行折衷。
该设计还意味着对于以具有有限横向尺寸的小LED发射器开始没有严格需要。因此，LED芯片面积可以比平常更大(当与菲涅尔透镜组合时)，或者LED封装可以含有填充外壳的磷光体(有时被称为黏糊磷光体)、或更薄磷光体层被定位为离LED源一定距离的附近磷光体构造。这些选项产生比平常更大的发射器尺寸。这种封装选项不能与菲涅尔透镜解决方案组合为紧凑闪光灯封装。
通过实现更大的LED芯片或磷光体尺寸，可以更高效地从LED封装提取光，以增强功效和/或生成比平常更多的输出光(更强的闪光或视频闪光操作)。
多个LED发射器还可以用于光束成形装置下方。比如，阵列发射器(诸如覆盖有磷光体的中功率LED的阵列)可以用作更大面积的发射器。这可以通过允许使用更低成本的LED来降低成本。
可以使用不同颜色的LED发射器，诸如具有磷光体的蓝色LED、和红色LED封装，或蓝色、绿色以及红色LED组合，以便在期望的色点产生颜色。结构化层可以用于成形/准直不同的颜色，但还可以在远场混合光。
作为另一个示例，同一颜色的多个LED发射器可以用于同一封装内部，且由同一光束成形结构覆盖为紧凑多LED发射器。
再次，通过使用多个发射器来使用更大的LED光输出面积允许更多的光输出，以制造更强的闪光灯封装。这可以对于视频闪光特别受关注。
由结构化层反射光帮助调暗封装的黄色外观。当一部分发射光由光学器件反射回到具有有限磷光体覆盖的外壳中时，通过混合来自白色内部的光并使从淡黄色LED看到的直接图像模糊(多个视差偏移调暗的LED图像)，来额外降低黄色外观。
结构化层的外部外围比如可以通过将片冲压成具体形状来制成任何形状。光束成形功能不需要光学器件的外部外围为圆形(诸如在透镜中)。根本上那是因为光束轮廓独立于结构化层上的位置、由每个微光学结构化元件(即，每个脊)来生成。因此，外形可以为三角形、矩形、椭圆形、六角形等。形状甚至可以用于产生比如移动电话公司的商标。被成形的光学器件覆盖的封装可以被制成类似的形状，以匹配光学器件的形状。比如，封装可以为被成型为具体形状的白色反射成型部件。
如果覆盖或阻挡光学器件的一部分以产生图案、图像、文本或商标，则这可能部分使光调暗，但将不影响远场中的所发射的光束轮廓。
阻挡光的一个方式是在光束成形光学器件的顶部上添加具有冲压出的形状的另一个反射部件(诸如白色反射箔片或镜面反射镜箔片)。由此可见，可以不成形光学器件的外部外围，但然后可以通过使用覆盖光学器件的部分阻挡或反射层来应用任何形状。
如果使用大面积磷光体或大面积LED，则在LED和磷光体中产生的热量比在传统解决方案中更多地散开，这使得设备在脉冲式或DC操作中能够具有更高的能力以用于提高的热效率，或者允许离开闪光灯封装的更高的光通量。
交叉角优选地在60至120度之间，更优选地在70至110度之间。一个具体示例具有：一个片的脊以大致100度(±5度)与另一个片的脊交叉(这当然等效于80度)。这已经发现特别关注于沿着期望的屏幕比4:3来提供最佳均匀度。代之可以使用90度交叉角。
每个片的顶部顶角优选地在70至130度(更优选地在90至110度)的范围内。它们可以相同，但在一个示例中，两个片的顶部角的和在170至220度的范围内，更优选地在190至210度的范围内。由此，如果增大一个片的角，则可以减小另一个的角。同样，通过使用第一结构化层相对于第二结构化层的不同角，并且使用两个结构化层的类似折射率，因为光束沿一个方向比沿另一个方向更准直，所以可以使得光束图案非对称。这种非对称光束轮廓可以用于匹配由相机采用的4:3或16:9图像的纵横比。然而，在实践中，完美尖锐的顶角和谷角非常难以实现，即在实践中，顶点的最佳锐度为大约1微米的圆半径。优选地，为了满足相对容易的可制造目的，圆半径小于2微米。可以在圆半径与光学性能规范之间找到折衷(因为更低成本的制造在更高的圆半径的情况下是可能的)。
第一结构化层可以与第一折射率的第一材料接触(该层将在两个微结构化片之间)，并且第二结构化层可以与第二折射率的第二材料接触(该层将在结构的顶部之上)，其中，第一结构化层的材料具有比第一折射率大的在0.3至0.55之间的折射率，并且第二结构化层的材料具有比第二折射率大的在0.3至0.55之间的折射率。
这些折射率差提供期望的光束成形功能，例如准直。具体地，因为已经发现通过使用更大的折射率差来提高准直意味着更难以满足对(移动电话的)相机闪光灯应用的特定要求，所以折射率差相对低。第一和第二材料可以包括具有1.0的折射率的空气，使得结构化层具有1.3至1.55的折射率。空气层也可以被提供在第一结构化层下方。
第一和第二材料代之可以包括具有在1.0至1.35(更优选地1.0至1.30)范围内的折射率的胶。例如，1.30的胶折射率产生具有1.60至1.85的折射率的结构化层。
第一和第二材料可以为其他低折射率的材料。这将再次改变结构化层的优选折射率值，具体地，与使用空气间隙相比，将需要更高的折射率值，以保持光束成形功能。
对于关注的波长范围且在使用空气层时，两个结构化层的材料的折射率的和然后变得处于2.6至3.1的范围内，并且该和更一般地处于2.7至3.0的范围内。例如，每个结构化层的折射率可以在1.4至1.45的范围内。两个结构化层的折射率还可以不同，以便形成更好匹配由相机取得的图像的纵横比的非对称光束轮廓。更一般地，两个结构化层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，更优选地大0.7至1.0。
每个微结构化片可以包括基层和结构化层。第一和第二结构化层可以包括硅酮(诸如甲基硅氧烷或甲基苯基硅氧烷)。基层可以充当用于结构层的载体支撑件。然而，结构层由基层来支撑不是必要的(比如，当结构层已经自支撑时)。
结构的层被选择为使得结构能够承受诸如在回流焊接期间遭遇的高温。
磷光体可以被直接提供在LED之上，或者填充外壳，或者作为第一结构化层下方的层。由此，可以使用应用磷光体的不同方式。当使用磷光体层时，磷光体层可以为在LED之上以特定间隔安装的薄层。
本发明还提供一种相机，该相机包括：
光学传感器，该光学传感器包括传感器元件的正交的行和列；和
本发明的相机闪光灯单元，其中，一个片的脊相对于行和列方向成20度至70度之间的角。这提高所捕捉图像的照明的均匀度。
附图说明
现在将参照附图详细描述本发明的示例，附图中：
图1示出了具有在封装的上表面上的集成菲涅尔透镜的已知LED闪光灯；
图2示出了如何表征闪光灯光学性能；
图3示出了使用高功率陶瓷上裸片(“DoC”)LED封装的LED闪光灯的各种示例；
图4示出了使用陶瓷上裸片封装和使用所谓基于PSS(预图案化蓝宝石基板)技术封装的其他更小封装的LED闪光灯的一些另外示例；
图5示出了一个微结构化片的结构；
图6示出了LED闪光灯结构，其中更清楚地示出光束成形准直器设计；
图7示出了给出一个微结构化片对来自点光源的光线方向的作用的模拟；
图8示出了下微结构化片顶部角对上微结构化片顶部角的图，以示出其中对于相对于屏幕的特定定向满足照明条件的组合；
图9示出了用于更放松的照明条件的、与图8相同的图；
图10用于示出上和下微结构化片的折射率对视场中心的最大照度与总光通量的比的影响；
图11示出了上和下微结构化片的折射率对光均匀度的影响；
图12示出了用于第一组闪光灯准则的折射率的优选组合；
图13示出了用于第二组更严格闪光灯准则的折射率的优选组合；
图14示出了作为屏幕相对于闪光灯模块的定向的函数的均匀度；
图15用于更清楚地示出如何定义屏幕定向；
图16提供了示出了两个交叉结构化层的相对定向对均匀度的影响的模拟结果；
图17提供了示出了两个交叉结构化层的相对定向对每总流明的中心lux的影响的模拟结果；
图18示出了在PSS发射器上的各种封装构造中实现的、具有非常低的构造高度的LED闪光灯部件的各种示例；
图19示出了在一个封装中的多LED发射器闪光灯部件的示例；
图20示出了两个微结构化片的脊结构的一些另选设计；以及
图21示出了使用紧凑LED单元的相机的示例。
具体实施方式
本发明提供了一种紧凑LED照明单元，该紧凑LED照明单元例如可以用作相机闪光灯单元，包括反射外壳，该反射外壳具有反射基底和开放顶部。LED安装在反射外壳中，并且光束成形装置被提供在外壳的开放顶部之上。光束成形装置包括第一和第二微结构化片，每个微结构化片具有背朝光源的细长平行脊的规则阵列，其中一个片的脊与另一个片的脊交叉。在一个示例中，片的作用是准直光。大入射角下的光线可以被准直并透射，而较小入射角下的光线在外壳中回射并再循环。
用于本发明的系统中的光束成形装置执行光束成形功能。在光以受控范围的出射角出射以照亮期望视场的意义上，该功能可以至少部分接近准直功能。为了易于说明，光学功能下面将被称为“准直”，但将理解，这不应被认为是限制。
准直器箔片用于准直光就其本身而言已知，并且例如以增亮箔片(BEF)的形式用于电视的背光。然而，这些不产生用于相机闪光灯应用的可接受光束轮廓(因为具体地已经发现所提供的准直太强而不能满足相机闪光灯要求)。同样，一些材料不能承受在紧凑LED应用中遭遇的高温。
图3示出了根据本发明的各种示例实施例，这些示例实施例使用具有“点击(click-on)”帽的高功率陶瓷上裸片(“DoC”)LED封装10，点击帽包含起光束成形装置12作用的双层光学片。该双层结构功能提供光束成形功能，诸如准直功能。每个层包括背朝光源的细长平行脊的规则阵列形式的结构化层。LED 10被安装在形成反射混合箱构造的外壳14的基底处。
LED例如是蓝色基于InGaN的二极管，其是附接到陶瓷基座16的裸片。LED可以是在背侧具有电触点的倒装芯片裸片。在通常为AlN或Al2O3的陶瓷基座16中存在电过孔，使得电触点还存在于陶瓷基座16的背侧，以使得整个组件可以使用焊盘焊接在背侧处。
典型封装尺寸是小于1.5mm(例如小于1.3mm)的高度和在3至5mm范围内的典型宽度。
图3示出了在实现磷光体层的方式方面不同的五个示例。磷光体层的功能是将来自LED源的蓝色辐射的一部分转换到绿/黄色光谱范围，磷光体层与蓝色LED发射器组合产生白光输出。
图3(a)示出了接近磷光体18。这是用于基于菲涅尔透镜的闪光灯封装的传统磷光体技术。磷光体直接覆盖蓝色LED芯片。这意味着所有发光区域(芯片输出和磷光体)具有最小尺寸。这使得发射器成为小的准点源，放大的光束成形结构与该小的准点源对齐，以准直所发射的光，以便闪光灯操作。
图3(b)示出了相同结构但在外壳中具有包覆件(overmold)19而不是空气，并且示出了外壳不一定为一体式结构。
图3(c)示出了填充外壳的磷光体20(有时被称为黏糊(goop))的使用。磷光体被分配为粘性液体并固化为固体状态。磷光体仍然覆盖LED芯片，但横向延伸且通常应用于较厚的层中。因为即使蓝色LED发射器小，磷光体层的发射也覆盖较大的区域，所以增强源区域。这可以是比仅覆盖LED裸片和/或上面放置LED裸片的封装的普通接近磷光体更高效的磷光体系统。
图3(d)示出了附近磷光体22。这原则上是最高效的磷光体配置，但这种封装不常见。磷光体不直接置于蓝色LED上，而是被定位为相距短距离(通常在封装的出射窗中)。在这种配置中，期望用于磷光体层的良好冷却路径，这可以受磷光体层与LED基底之间的材料的选择的影响。图3(e)示出了玻璃或半透明氧化铝(多晶氧化铝PCA)层24的添加。
在图3(a)至图3(e)中的每一个中，整个设备为紧凑LED照明单元1。外壳14起反射外壳的作用，其具有反射基底15和开放顶部(在图6中的附图标记51)。
两个结构化层具有面向上的脊状微结构。脊平行且由此形成棱柱脊/槽结构。片具有通常在30微米至150微米的范围内的厚度(包括基底基板和脊高度)。每个脊具有在10微米至50微米的范围内的典型宽度。
因为微结构化片反射回入射光的大部分以被再循环，所以LED封装优选地为高度反射的(比如>95％)。
低折射率层被提供在LED封装与光束成形结构之间，并且还被提供在独立的微结构化片之间。通常，低折射率层为空气界面。部件之间的中间层的该折射率相对于LED封装的折射率和微结构化片的折射率是低的。折射率1用于空气层，LED封装对于GaN LED裸片可以具有2.4的折射率，磷光体硅酮可以具有1.4-1.53的折射率。
当空气界面抵靠着微结构化片的结构化表面使用时，微结构化片的结构化层的折射率例如可以为1.41。
图4示出了其中两个不同高功率LED与中功率LED相比较的另外示例。再次，每个设备包括紧凑LED照明单元1。每个设备具有高度3，并且图4中示出了可能高度值的示例。将图3的陶瓷上裸片(DoC)封装与所谓的PSS(预结构化蓝宝石)芯片级封装LED 30以及具有接线结合连接的中功率LED 31进行比较。
具有芯片级封装PSS技术的LED不具有陶瓷基座，但在顶部上保持上面沉积InGaNLED层的蓝宝石生长基板。背侧镀有使部件背侧可焊接的电连接。与通常使用0.6mm陶瓷基座的DoC封装相比较，PSS封装30可以薄得多，大约0.2mm至0.3mm高。
对于薄闪光灯，PSS结构30允许更薄的闪光灯高度。
中功率LED通常为其中发射器也被定位于生长基板(诸如蓝宝石)上的LED，并且向下安装有蓝宝石基板，该蓝宝石基板通常用裸片附接粘合材料向下胶粘到封装中。电连接用将封装内的电触点连接到LED裸片顶部的接线结合来实现。多个LED可以在封装中用来实现所需的光输出量。
各种中功率LED连接成串，这可以是串联连接或并联连接。这些中功率LED芯片通常也非常薄，通常在0.2mm至0.3mm高的量级，这允许薄的整体闪光灯封装。
图4组合各种LED类型与各种磷光体类型。磷光体层可以被直接沉积在LED芯片上，这称为接近磷光体。这种磷光体层可以仅覆盖芯片的顶部或包括陶瓷基座的封装的顶部，或者环绕发射器，从而还覆盖透明蓝宝石基板的侧面。此外，磷光体可以填充内部放置LED的封装。这通常被称为黏糊磷光体，其中磷光体通常由嵌入分配在封装(诸如白色成型引线框封装)内的硅酮树脂中的无机磷光体颗粒组成。这种配置通常比仅覆盖发射器裸片的磷光体更高效。此外，磷光体可以根本不覆盖LED发射器，而是以小距离分离，通常由一层透明材料(比如，硅酮或玻璃或陶瓷)分离。磷光体层然后被定位于封装顶部附近，横向覆盖封装，以防止蓝光从封装泄漏。这种附近磷光体通常比其他上述磷光体类型更高效(只要LED封装高度反射)。
图4(a)示出了如图3(a)中的使用接近磷光体的DoC结构。
图4(b)示出了使用接近磷光体的PSS结构30，并且示出了封装高度被降至1mm。PSSLED被焊接到腔外壳(诸如白色硅酮成型引线框封装)中。接近磷光体可以共形地沉积在PSS芯片周围。腔外壳通常具有允许闪光灯LED到PCB的另外组装的背侧触点。薄外壳、薄PSS以及薄光束成形装置产生在大约0.6mm至1.2mm高度范围内的整体薄封装。光束成形装置12的微结构化片比如可以用粘合胶或用粘合带附接到外壳的顶部。
图4(c)示出了使用磷光体的PSS LED封装30，该磷光体填充外壳，PSS LED封装30再次在薄反射PCB 32之上具有1.2mm封装高度，LED芯片和外壳侧壁被安装在薄反射PCB 32上。外壳可以为被成型到PCB上或用粘合剂附接的成型白硅酮框。当磷光体层被限定在发射器的顶部上时，由外壳和PCB形成的腔的内部优选地用黏糊磷光体或用透明封装材料(诸如硅酮)来填充。薄PCB可以具有用于电连接的、到背侧的互连，但还可以横向延伸为能够将接触接线焊接到电源触点，电源触点在外壳区域外部的PCB顶部上、被连接到LED。
图4(d)示出了使用磷光体的PSS结构30，该磷光体填充外壳，PSS结构30再次具有1mm封装高度但具有围绕LED芯片成型的外壳基底。
图4(e)示出了如图3(d)中的使用附近磷光体的DoC结构，并且图4(f)示出了如图3(c)所示的使用黏糊磷光体的多个中功率LED芯片31，其中芯片附接到具有接线结合连接的外壳的基底处的电触点。绘制两个中功率芯片，但三个或更多个芯片还可以用于生成足够的闪光灯光量。为了容纳使用多个中功率LED的更高区域，可以增大封装的横向尺寸。
除提及的LED类型之外，垂直薄膜(VTF)LED也可以用于给出的示例中，其中，LED具有在与接线结合连接的发射器的顶部处的一个电触点和朝向用于焊接附接到封装或PCB的芯片的背侧的一个电触点。
由此，PSS芯片可以安装在被成型在PSS部件周围的反射外壳中，或者芯片可以被直接焊接到高反射率基板(诸如薄PCB)或预制光混合封装(诸如塑料引线芯片载体(PLCC)封装或类似的引线框部件(比如QFN封装))。后者预成型的封装比直接围绕PSS芯片成型封装更容易实现。
微结构化片可以通过例如经由激光图案化在聚碳酸酯片中产生原模印模来制造。然后可以在硅酮中复制原模印模，以形成原模的负面。然后将该第二原模压印到液体硅酮前体层中，该前体层被涂布到薄基箔片，固化成固体层，并且从硅酮原模印模释放。这种原模还可以镀有且覆盖有金属(诸如镍)，以获得原件的金属复制原模。另选地，原模可以通过精确切割/加工金属部分以产生金属原模来制造。金属原模板可以通过将一层液体前体材料(诸如硅酮液体)涂布到基箔片载体支撑件上来复制。硅酮可以热固化且从原模释放。另选地，涂布液体可以为诸如可从硅酮供应商商购的可UV固化的硅酮材料。通过UV曝光，层被固化到使得它可以从具有固定微结构形状的原模释放的程度。随后，可以在烤箱中进一步热固化层，以实现微结构层的完全固化。
除了这些分批处理之外，还可能在卷对卷涂布设备上制造箔片，这在光学膜(诸如增亮膜)的生产中是常见的。在这种设置中，一卷基箔片被拉动通过辊系统，并且比如使用狭缝模具涂布来涂布有图层前体的薄液体层。然后卷与含有原模结构(比如镍原模)的旋转滚筒接触。通过用UV光闪光，前体在与滚筒压印接触时固化，以形成固体微结构层。可以使用标准UV固化丙烯酸脂。然而，为了获得高热稳定性，可以使用硅酮(诸如可UV固化硅酮或混合硅酮材料)，比如硅酮-环氧材料。
基箔片可以为薄聚碳酸酯或聚酯(诸如PET或PEN)。然而，透明聚酰亚胺箔片(诸如三菱气体化工公司(商标)的Neopulim(商标))是优选的，因为这允许由光束成形光学器件形成的帽随着它承受短期暴露于大约260度的高焊接温度，而在闪光灯LED封装的回流焊接期间承受高温。
为了在基箔片与结构化层(微结构被复制或模压到结构化层中)之间获得合适的粘附，可以应用粘附促进中间层。通常，该粘合促进剂作为薄膜被涂布到基箔片上。粘合促进剂可以含有反应化学基团，比如通过使用对基箔片的UV-臭氧处理或氧等离子体或电晕处理，反应化学基团可以反应到基箔片或预活化基箔片。同样，粘合促进剂层可以含有可以与硅酮或混合硅酮涂层反应的反应基团(诸如氢化物基团或碳碳双键)。
倘若实现足够的机械稳定性，以将微光学层用作具有用于处理并附接到LED设备的足够机械刚度的固体片状或板状层，则不是严格要求使用基箔片(因为微光学层还可以形成全结构层)。
图5示出了基层40和结构化层42形式的一个微结构化片的设计。微结构化层42包括脊41，并且每个脊具有峰顶41a。图5示出了脊的峰顶41a处的顶部顶角θ，该顶角θ例如可以为90度或100度，或实际上为例如在70至130度范围内的其他角。在优选实施例中，脊侧面如图所示是对称的。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的结构化层42。因此，形状为在剖面的深度方向上延伸的棱柱槽结构。
外形可以采取例如使得商标或其他符号能够在发光面处可见的任何合适的形式。整个外壳代之可以被设计有期望的美学形状。当然，外围可以在不改变光束图案的情况下简单地为方形或矩形、三角形、细长条、环形状或任何其他形状。
图6示出了具有更清楚示出的光束成形光学器件的设计的LED闪光灯单元。光束成形光学器件具有在外壳14的开放顶部51之上的第一微结构化片50和第一微结构化片之上的第二微结构化片52。它们各具有提供背朝光源的细长平行脊的规则阵列的结构化层。图6示出了以交叉角53交叉的脊。两个正交对齐的片可以用于实现两个方向上的准直。然而，所示的正交定向不是必要的。两个片的脊例如可以以30度至150度(更优选地50度至130度，更优选地70度至110度)的角交叉。图6还示出了外壳14的侧壁57，并且这些侧壁也是反射的。
片通过其可以为空气间隙的层55分离，但该层55可以为不同材料(诸如胶)但再次具有比结构化层显著更低的折射率。这比使用空气间隙时要求更高的结构化层的折射率。顶部(第二)片也覆盖有其可以与层55相同的材料层56(例如，空气、或用于将平面化保护层结合在顶部的胶)。
在空气间隙的情况下，结构化层42的折射率优选地在1.3至1.55的范围内。
基本上，结构需要光学对比来起作用。如果片胶粘在一起，则将需要提高结构化层的折射率，并且光学结合的折射率需要低。可以找到折射率1.4的胶，使得在第一近似中，空气折射率1至胶折射率1.4的提高需要光学结构化层的折射率也提高0.4、到1.70至1.95的范围内。这将折射率差维持在0.3至0.55的范围内。
通常，胶将具有在1.3至1.6范围内的折射率。
光在顶端处朝向微结构化片从外壳逸散。根据微结构化片的折射率和微光学结构，一部分光被准直，并且一部分借助于全内反射朝向高度反射外壳回射，在外壳中，光被再循环。所再循环的光可以由相同机制再次逸散。效率取决于外壳的反射率、不同介质之间的界面处的菲涅尔损耗以及介质中的吸收。
在优选示例中，各微结构化片具有基层(图5中的40)和结构化层(图5中的42)。基层被主要选为满足期望的结构特性和热稳定性性。例如，基层可以为聚酰亚胺层(或具有在比如1.4至1.7范围内的折射率的其他材料)。结构化层例如为硅酮层，并且光学结构在硅酮固化之前压印有印模。硅酮材料由于用于LED应用的完美光热稳定性而是优选的。优选的硅酮类型为具有大约1.41折射率的甲基硅酮。作为另选方案，可以使用具有1.51至1.53折射率的甲基苯基硅酮类型。通常，结构化层通常可以具有用于使用空气间隙的实施方式的1.3至1.55的折射率。因为基层的界面彼此平行且最终不影响光线方向，所以基层的折射率不是那么重要。然而，优选更低的折射率，使得使空气界面处的菲涅尔反射最小化。
图7示出了给出一个微结构化层对来自点光源的光学输出的作用的模拟。
根据脊(棱柱)的入射角、折射率(差)以及顶部顶角，一些光线将由于全内反射而反射回，而其他光线可以在顶表面处逸出。微结构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学器件的距离来确定。通常对于远程磷光体架构(图3(c)至(e))，发射轮廓接近于朗伯的，而对于具有接近磷光体的LED，撞击微结构化片的光线的角分布可以稍微地更具有方向性，但在所有实践情况下将不显著偏离朗伯分布。因此可以改变的系统的参数为棱柱的顶部角(顶角)和材料的折射率。
外壳基底(LED所在的地方)与底部微结构化片50之间的空气间隙的尺寸被保持为尽可能小，以使得整个模块尽可能薄。为了保证薄空气间隙并防止下微结构化片粘到外壳，可以可选地以低密度应用小间隔物结构(诸如用以防止两个部件在大区域上彼此触碰的小球形或棒状颗粒或支撑杆)。类似地，这种间隔结构可以被设计在微结构化片上，以降低下层50的结构化层与上层52的背侧之间的光学接触的可能性。比如，叠加到光学脊，可以在光学脊的高度的顶部上设计轻微突出的低密度杆(诸如高度为10微米至25微米)。这防止顶层52的平坦侧面触碰微结构的顶部。这种间隔还可以应用于顶层52的背侧，比如为大致垂直于下微结构化片50的脊对齐的条状间隔物结构的形式。
为了保护设备顶部上的微光学表面结构在处理和使用中免于划伤和损坏，可以在结构的顶部上添加可选保护片(通常为透明片，比如为透明聚酰亚胺片)。
为了满足期望的光学规范，可以调谐以下参数：
两个结构化层的顶部顶角；
在微结构的顶部的圆半径(rounding radius)和谷的圆半径方面的、顶部角的形状准确度；
结构化层相对于周围层的材料(例如，空气)的折射率；
微结构化片之间的相对定向角；以及
微结构化片相对于闪光灯光指向的矩形屏幕(例如具有比4:3)的定向角。
这些参数的调谐给出其中满足规范的参数空间。可以独立改变两个片的顶部顶角、形状准确度以及折射率。
两个结构化层的最优选顶部角在90度至110度的范围内(因为这些角度遵守每总流明的屏幕中心的照度(中心Lux)(CLPlm)>0.7和均匀度>0.3的最严格规范。
图8示出了下结构化层顶部角(顶角)对上结构化层顶部角的图。所示出的区域是基于在离散值集处进行的模拟、角度的组合满足上述两个条件的区域。图8用于正交箔片，其中箔片与屏幕的行/列方向成45度。存在两个可能的45度定向，但两个定向都给出类似的结果。该模拟优选地假定尖锐的顶角和谷角，而在实践中，顶端41a的最佳锐度是大约1微米的圆半径。还假定用于结构化层的1.41的折射率。优选地，圆半径小于2微米。可以在圆半径与光学性能规范之间找到折衷(因为更低的成本制造在更高的圆半径情况下是可能的)。
这些结果示出顶部角优选地在90至110度的范围内。
对于不太严格的规范，参数空间广泛地开放。
图9示出了与图8相同的图，但示出了其中规范用于CLPlm>0.6和均匀度>0.2的区域。
对于100度的顶部角和棱柱槽方向到屏幕/相机传感器的轴线之一的45度定向两者，图10示出了上和下微结构化片的折射率对CLPlm值的影响。用示例的方式，用正交箔片进行模拟。y轴标绘了下片的结构化层的折射率，并且x轴标绘了上片的结构化层的折射率。对于折射率值的每个组合，来模拟CLPlm参数。如由示出了所获得的CLPlm值的范围的箭头表示的，结果通常是通过增大任一层或两个层的折射率来获得增大的CLPlm值。
由此，每总流明的中心光通量对于更高的折射率最高：光束更准直。
再次对于100度的顶部角和棱柱槽方向到屏幕/相机传感器的45度定向，图11中示出了上和下微结构化片的折射率对光均匀度的影响。再次，用示例的方式，用正交箔片进行模拟。y轴再次标绘了下层的折射率，并且x轴标绘了上层的折射率。对于折射率值的每个组合，来模拟均匀度参数。如由示出了所获得的均匀度值的范围的箭头表示的，结果通常是通过减小任一层或两个层的折射率来获得增大的均匀度。
均匀度以类似的方式取决于两个层的折射率：良好的均匀度值仅可以在限制层的折射率时实现。对于空气界面，在上和下结构化层的折射率为2.6<nupper+nlower<3.1时找到最佳。
更一般地，(结构化层与它们的相邻材料之间的)折射率差的和处于0.6至1.1的范围内。
对于图12中示出的均匀度值>0.2和CLPlm值>0.6的温和闪光灯准则，或对于图13中示出的均匀度>0.3和CLPlm>0.7的更严格闪光灯准则，可以导出折射率的优选组合。图12和图13用于两个结构化层的100度顶部角，并且示出了其中不同折射率值的模拟满足设置条件的区域。
用于两个片的100度顶部角的最佳折射率可以被看作是在1.4至1.5折射率范围内的组合折射率2.85。
模拟还示出了均匀度规范对交叉的微结构化片相对于矩形屏幕的定向的强依赖关系。对于相对于屏幕的45度角(类似于135度)，均匀度最高(>0.3)，而对于0度(类似于90度)，均匀度最低。因此，可能使微结构化片相对于具有与屏幕相同定向的相机模块定向正确对齐。为了实现更高的均匀度(诸如高于0.3)，定向角范围可以被设置为45±10°。更一般地，角可以在20度至70度的范围内。
每总流明的中心光通量的规范不依赖于屏幕的定向。
图14示出了作为屏幕相对于闪光灯模块的定向(即，上结构化层相对于屏幕的脊定向)的函数的均匀度。该图用于两个层的100度的顶角和两个结构化层的1.41的折射率。
可以看到，最大均匀度在45度角(45度和135度)处获得。
为了使得图14更清楚，图15更清楚地示出了箔片定向意味着什么。假定“棱柱箔片1”最靠近屏幕，图15(a)更清楚地示出了对应于图14中的45度角的定向，并且图15(b)更清楚地示出了对应于图14中的135度角的定向。角度为在以肖像模式观看屏幕时需要从左方向顺时针旋转以到达顶部箔片脊的定向的角度。
图16示出了作为两个结构化层的脊之间的相对角度的函数的均匀度。这是用于4:3屏幕比的计算。曲线170用于135度定向(即，图15(b))，并且曲线172用于45度定向(即，图15(a))。峰值均匀度在80度或100度处。
x轴示出箔片对齐角。0度定义平行脊，并且90度定义正交脊。均匀度在最佳和最差相对角之间变化多于2倍。
图17示出了作为结构化层之间的相同相对旋转角的函数的每总流明的中心lux。每总流明的中心lux变化小于2％。
根据这些光学模拟，可以制定优选的一组设计规则，以生成根据与中心光通量/总流明和屏幕均匀度有关的期望规范来照亮屏幕的光束轮廓。应注意，如果放松规范，则也可以放松这些设计规则中的一些：
具有棱柱槽(向上面向的结构)的下片的顶部角为70至130度(更优选地为90至110度)；
在下光学结构化层浸入较低折射率空气层(n＝1)中的情况下，下结构化层的折射率范围例如可以为1.3至1.55。这意味着光束成形光学器件覆盖有空气的顶侧层，并且到下片的入射光也来自空气的背侧层。更优选地，下结构化层的折射率为1.4至1.45。更一般地，如果使用较低折射率的非空气浸入层，则结构化层与浸入周围环境之间的折射率差为Δn＝0.3-0.55。比如，如果浸入层具有1.3的折射率，则光学结构化层的折射率应为1.6至1.85，因此，组合折射率在3.2至3.7的范围内。
上结构化层(向上面向的结构)的顶部角(顶角)也为70至130度(更优选地为90至110度)；
上结构化层的折射率范围为1.3-1.55(并且再次更优选地，对于空气浸入为1.4-1.45)，但更一般地，折射率差为Δn＝0.3-0.55(由此，上和下结构化层具有相同的规范范围)。
下结构化层和上结构化层的折射率之间的关系对于空气浸入为n(下片)+n(上片)＝3.1或更小(更优选地为3.0或更小)。
如果层中的任何一个的折射率靠近范围的顶端(1.55)，则另一层的折射率可以靠近范围的底端(1.3)。如果两个层具有在范围的顶端处的折射率，则配置可能对于指定的顶部角范围变得太准直。
下和上微结构化片的顶部顶角之间的联系：对于下片的较小角，上片需要更大的角，反之亦然。组合顶部角例如在170度至220度内(优选地在190度至210度之间)(对于结构化层的1.41的折射率)。例如，如果下片的角更高(例如120度)，则下片的顶部角优选地更低(例如90度)，合计为210度；
上微结构化片脊方向与屏幕之间的旋转角：最优选地为45+/-10度；
一个片的脊优选地以大致90或100度与另一个片的脊交叉，使得片沿着期望的屏幕比4：3提供最佳均匀度。更一般地，上和下微结构化片的脊方向之间的角可以在30至150度、更优选地50至130度、甚至更优选地70至110度的范围内(例如，90或100度)。
如图16示出的，均匀度对片的从正交对齐到平行对齐的不对齐敏感，达高达2倍。对于其他屏幕比(比如，16:9)，片之间的相对旋转角可以不同，以便对于均匀度优化。中心lux如图17所示出的不随着片的相对定向而变化很大。
本发明特别关注用于移动电话的闪光灯LED应用中。然而，闪光灯LED模块还可以用于照相机或摄像机上的图片相机闪光灯，或者用作集成在其他设备(诸如平板电脑)中的闪光灯部件的一部分。还可以考虑其他紧凑照明应用。
在这些应用中，部件的横向宽度、所用的LED的数量、以及输出光的总量可以大于对于移动电话所需的。除了用于照片的闪光灯脉冲之外，单元还可以对于视频闪光灯连续操作。
上述示例示出了具有反射基底和侧壁的外壳。
图18示出了各种另选封装。
图18(a)示出了没有侧壁且没有PCB的封装。蓝色LED芯片10由载体基板(诸如具有背侧触点(例如倒装芯片架构)的蓝宝石)上的外延层组成。LED芯片10由反射层60(诸如白色硅酮成型)包围。磷光体涂层61覆盖该封装，并且光学结构层50、52在外围处用粘合剂附接到该封装。
注意，在图18的所有示例中，磷光体被示出为61，但示出不同的磷光体类型。
粘合剂用于将两个微结构化片50、52附接到彼此以及将该组件附接到封装。该粘合剂可以为从液体状态固化为固体状态的胶，或者可以为一块粘合带。粘合带可以为在部分的连接之后热固化的带或UV固化的带。
图18(b)示出了其中磷光体层61被限制于发射器区域或仅稍大于发射器区域的另选封装。
在图18(c)中，磷光体61大于芯片但小于封装的外部尺寸，并且在发射器与磷光体层之间存在距离，以限定附近磷光体。该间隙通常填充有透明硅酮。
在图18(d)和18(e)中，边缘64被成型到封装上，由此形成具有侧壁的腔。在图18(d)中，该腔为空的或另选地填充有透明材料(诸如硅酮)。在图18(e)中，该腔至少填充有至少含有单磷光体材料(比如嵌入硅酮材料中的粉末磷光体材料)的单磷光体层。
图18(f)示出了平LED封装10，该封装包括磷光体61，该磷光体61被框架66上的光学箔片组件盖住/覆盖。框架66被置于封装周围，具有间隙，或者框架被结合在LED封装周围，比如通过用透明硅酮或用反射硅酮来填充封装10与框架66之间的间隙。
图18的封装可以具有能够由客户将这些封装焊接到PCB的背侧触点。另选地，这些封装可以已经预附接到薄PCB背侧。该背侧PCB可以延伸超出LED封装区域。在PCB上，可以附接ESD保护二极管(诸如瞬态电压抑制器)，以防止闪光灯LED组件(还称为闪光灯LED模块)被静电放电损坏。另选地，该保护二极管可以集成在LED封装内部(诸如反射壁或反射外围内部，或者最不优选的腔内部)。
作为另一个示例，多个LED发射器可以用于同一封装内部，并且由同一光束成形结构覆盖为紧凑多LED发射器(如图19示出的)。闪光灯的发射颜色可以通过控制具有不同白色温的两个LED之间的电流比来控制。
图19示出了在共享基板72上的、具有不同色温的两个LED封装10a、10b。每个LED封装具有其自己的磷光体层61，并且存在透明填充物70以形成单个整体结构。
然后根据期望的图像感知，可以可控地使得闪光灯单元发出多个颜色。比如，第一LED可以发出例如6000K的冷白色，而第二LED可以发出例如2700K的暖白色。因此，用相机取得的图像可以根据摄影师的希望以冷或暖场景设置来存储。因为两个LED可以被置于同一封装中，所以该双通道闪光灯可以变得非常紧凑且仅用一个封装的成本，而不需要各具有菲涅尔透镜的两个单独的闪光灯LED单元，这节省空间和两个透镜的高成本。
因为共享封装的顶部上的光束成形光学器件也具有光混合能力，在通道之间具有可控电流比的两个LED的联合操作即使与封装相距小距离时仍然允许所发射的光分布的非常良好的光混合。受控电流比允许独立LED的极限色温之间的精确调谐。
类似地，可以添加第三通道，以跨越颜色可调的颜色空间，比如以便能够使色点偏离黑体辐射器(诸如具有黑体线上方的中间色温的第三封装)。类似地，可以添加第四通道，或者通常，可以在同一封装中实现多通道封装。
上面提及的是，封装可以被成形为给出期望的美学外观。该外观可以通过期望形状外部的光阻挡来获得。阻挡光的一种方式是在光束成形光学器件的顶部上添加具有冲压出的形状的另一个反射部件(诸如，白反射箔片或镜面反射镜箔片)。由此可见，可以不成形光学器件的外部外围，但然后可以通过使用覆盖光束成形光学器件的部分阻挡或反射层来应用任何形状。
被阻挡的光优选地使用面向光学片的高度反射材料来再循环。被阻挡/反射的光将获得另一个机会：在与光束成形光学器件和封装相互作用之后逸出以透射穿过所成形的开口，在光束成形光学器件和封装处，它可以被发送回到光阻挡/反射层(在位置上偏移)。
产生期望形状的另一种方式是通过用反射材料覆盖微结构化片(比如顶层)。例如，顶层可以通过在片上分配或打印白反射材料(诸如白硅酮层)来部分覆盖，该白反射材料将局部填充/覆盖微光学表面结构。阻挡层(作为单独层或作为沉积在微结构化片上的层)可以被置于光束成形光学器件的顶部上、顶部与背侧之间。当阻挡层用于微结构化片之间时，阻挡层还可以具有将片一起结合到一个箔片组件中的功能，在光以期望光束轮廓透射的区域处保持微结构化片之间的间隙。
以这些方式，可以在发射器之上叠加任何期望的形状，以给出设备在关闭状态下或处于设备的调光操作时的期望外观，不使观看者看不见。
如上所述，已知应用散射层来隐藏磷光体的黄色外观。这可以应用于上述示例，特别是使用填充外壳空间的黏糊磷光体的那些示例。上述示例在每个微结构化片上使用平行直脊的阵列。这些脊可以跨表面区域具有均匀的节距。然而，这不是必要的，并且节距可以局部地变化。在这种情况下，节距不规则。提供不规则节距的一个潜在益处是它可以产生脊高度差。下结构化层的最高脊顶部然后可以用于起间隔物的作用，以在允许两层之间的低光学接触面积的同时支撑顶结构化层。
脊不需要为直的或连续的。例如，微结构化片的区域可以被划分为多个区域，其中脊沿那些区域内的不同方向延伸，例如形成棋盘图案。在每个局部区域内，两个片的脊以期望的角交叉，以提供两个不同方向上的期望准直。这就是何谓“局部”交叉角。此外，每个局部区域内的脊平行，而不是每个片上的所有脊平行。这就是何谓“局部平行”。由此，脊线可以被认为形成为一组不连续脊，每个不连续脊具有小于微结构化片的横向尺寸的长度。另选地，脊线可以被认为跨微结构化片的区域是之字形的。
图20示出了可能棱柱结构的三个示例。
图20(a)示出了如上所讨论的规则布局，其中所有结构在每个独立箔片内平行，并且一个箔片的平行方向与另一个正交。
图20(b)示出了棱柱传播方向在一个箔片中的轻微“之字形”偏差和另一个箔片中的对应图案，使得局部交叉点保持正交。在一个箔片(顶部箔片)中，对于之字形图案的两部分，之字形图案与直线具有大约+15度和-15度的偏差。另一个箔片然后具有从垂直线偏移相同角的直结构。
图20(c)示出了具有更强之字形图案的另外示例，其中沿着一个之字形线的两个棱柱细长方向之间的相对角度大约为90度。不像图20(b)的示例，这意味着第二片的图案相同但在空间上偏移，并且它们两者都是具有90度峰角和90度谷角的规则三角形波形线。
再次，脊在每个点处的局部交叉角确定光学准直功能。凭借之字形的脊，局部交叉角可以跨微结构化片的整个区域不恒定，而被设计为满足所有区域处的指定最小交叉角要求。
可以例如出于美学原因而期望具有更复杂脊结构的这些不同的布置。
顶角对于每个结构化层的整体通常恒定。然而，这不是必要的，并且顶角可以跨片变化。该变化通常将仅是小的(例如，在5度内)，使得所有顶角在给定范围(诸如90至110度)内。
紧凑照明单元通常具有直径小于8mm的孔径，但布置使得设备能够在不对应增大厚度的情况下增大尺寸。
图21示出了作为移动便携式设备80的一部分的相机。相机具有相机光学传感器82和本发明的闪光灯单元84。光学传感器包括如还示出的传感器元件87的正交行85和列86。如上面说明的，一个片的脊的定向相对于行或列方向例如成20度至70度之间的角。
如上面讨论的，外壳是反射的。具体地，外壳比LED芯片反射性更强。漫反射特性比镜面反射优选，使得光在尽可能少的内部反射的情况下离开外壳。白色硅酮可以形成漫射面。
上述示例全部示出两个微结构化片。然而，可以提供另外的光学层，例如以便颜色控制。此外，第三微结构化片可以用作准直功能的一部分。
本领域技术人员可以在根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究来实践所要求保护的发明中，理解并实现所公开实施例的其他变体。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互相不同的从属权利要求中记载特定措施的简单事实，不指示不可以有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种紧凑LED照明单元(1)，包括：
反射外壳(14)，所述反射外壳(14)具有反射基底(15)和开放顶部(51)；
LED(10)，所述LED(10)安装在所述反射外壳内；
磷光体(18)，所述磷光体(18)与所述LED关联；以及
光束成形装置(12)，所述光束成形装置(12)在所述外壳的所述开放顶部之上，
其中，所述光束成形装置包括第一微结构化片(50)和第二微结构化片(52)，其中所述第二片(52)相对于所述反射基底(15)在所述第一片之上，所述第一片(50)包括第一结构化层，并且所述第二片(52)包括第二结构化层，这些结构化层具有背朝所述LED的细长的局部平行脊(41)的阵列，并且在每个脊的峰顶(41a)处具有顶角(θ)，其中，一个片的脊与另一个片的脊交叉，使得局部交叉角(53)在30度至150度之间。
2.根据权利要求1所述的照明单元，其中，所述第一结构化层和所述第二结构化层的顶角在70度至130度的范围内，更优选地在90度至110度的范围内。
3.根据权利要求2所述的照明单元，其中，所述第一结构化层和所述第二结构化层的顶角的和在170度至220度的范围内，更优选地在190度至210度的范围内。
4.根据任一前述权利要求所述的照明单元，其中，所述第一结构化层与第一折射率的第一材料(55)接触，并且所述第二结构化层与第二折射率的第二材料(56)接触，其中，所述第一结构化层的材料具有比所述第一折射率大的在0.3至0.55之间的折射率，并且所述第二结构化层的材料具有比所述第二折射率大的在0.3至0.55之间的折射率。
5.根据权利要求4所述的照明单元，其中，所述第一材料(55)和所述第二材料(56)包括：
具有1.0的折射率的空气；或
具有1.3至1.6之间的折射率的胶。
6.根据权利要求5所述的照明单元，其中，所述第一材料和所述第二材料包括空气，所述第一结构化层和所述第二结构化层的顶角在95度至105度的范围内，所述第一结构化层和所述第二结构化层的组合折射率在2.8至2.9的范围内，并且每个结构化层的折射率在1.4至1.5的范围内。
7.根据任一前述权利要求所述的照明单元，其中，所述交叉角(53)在60度至120度之间，更优选地在70度至110度之间。
8.根据任一前述权利要求所述的照明单元，其中，每个微结构化片包括基层(40)和在所述基层之上的结构化层(42)。
9.根据权利要求8所述的照明单元，其中，所述基层(40)包括聚酰亚胺、热稳定PET或热稳定PEN。
10.根据任一前述权利要求所述的照明单元，其中，所述第一结构化层和所述第二结构化层包括硅酮或混合硅酮。
11.根据任一前述权利要求所述的照明单元，其中，所述磷光体(18)被提供为：
直接在所述LED之上，其中空气间隙在所述磷光体之上；或
在所述LED与所述开放顶部之间填充所述外壳；或
作为在所述第一微结构化片下方且与所述LED隔开的层。
12.根据任一前述权利要求所述的照明单元，包括相机闪光灯单元。
13.一种移动便携式设备(80)，包括相机光学传感器(82)和根据权利要求12所述的闪光灯单元(84)。
14.一种相机，包括：
光学传感器(82)，所述光学传感器(82)包括传感器元件的正交的行(85)和列(86)；和
根据权利要求12所述的相机闪光灯单元，其中，一个片的脊的定向相对于行方向或列方向成20度至70度之间的角。
15.根据权利要求14所述的相机，其中，一个片的脊的定向相对于行方向或列方向成30度至60度之间、甚至更优选地40度至50度之间的角。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9819848B2 (en) * 2015-09-30 2017-11-14 Apple Inc. Camera strobe having multi-LED packages
USD809702S1 (en) * 2016-05-31 2018-02-06 Black Dog LED, LLC. Grow light
USD838032S1 (en) * 2016-05-31 2019-01-08 Black Dog LED, LLC. Grow light
USD822881S1 (en) * 2016-05-31 2018-07-10 Black Dog LED, LLC Grow light
CN106950779A (zh) * 2017-04-11 2017-07-14 广东谷麦光电科技股份有限公司 一种led闪光灯模组
US11435044B2 (en) * 2019-09-09 2022-09-06 Apple Inc. Integrated strobe module
CN113075834B (zh) * 2020-01-06 2022-02-01 深圳市万普拉斯科技有限公司 闪光灯、闪光灯控制方法及移动设备
KR20220045832A (ko) 2020-10-06 2022-04-13 삼성전자주식회사 LED(Light Emitting Diode) 패키지 및 이를 포함하는 전자 장치
US12018832B2 (en) 2021-09-23 2024-06-25 Apple Inc. Light source module with adaptive illumination

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1938634A (zh) * 2003-11-18 2007-03-28 莫林技术有限公司 可变光阵列和可变制作方法
US20080043326A1 (en) * 2003-11-18 2008-02-21 Merlin Technology Limited Liability Company Variable Optical Arrays and Variable Manufacturing Methods
CN101680974A (zh) * 2007-06-05 2010-03-24 旭化成电子材料株式会社 反射片
US20100178046A1 (en) * 2009-01-09 2010-07-15 Samsung Led Co., Ltd. Camera flash lens and portable device including the same
CN102667543A (zh) * 2009-12-21 2012-09-12 3M创新有限公司 透反制品和灯组件
CN103765090A (zh) * 2011-06-24 2014-04-30 吉可多公司 具有反射掩模的基于led的照明模块

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR960015507B1 (ko) * 1991-12-24 1996-11-14 가부시끼가이샤 히다찌세이사꾸쇼 배면투사형화상표시장치및배면투과형스크린
US8075147B2 (en) * 2003-05-13 2011-12-13 Light Prescriptions Innovators, Llc Optical device for LED-based lamp
TWI292504B (en) 2005-12-16 2008-01-11 Innolux Display Corp Brightness enhancement film, backlight module and liuqid crystal display module
KR20100127286A (ko) 2008-03-21 2010-12-03 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 발광 장치
CN106154399A (zh) 2008-04-02 2016-11-23 3M创新有限公司 光导薄膜及其制备方法
WO2010059566A1 (en) 2008-11-19 2010-05-27 3M Innovative Properties Company Multilayer optical film with output confinement in both polar and azimuthal directions and related constructions
WO2012006123A2 (en) 2010-06-28 2012-01-12 Axlen Technologies, Inc. Optical beam shaping and polarization selection on led with wavelength conversion
SG180059A1 (en) * 2010-11-03 2012-05-30 Xenon Technologies Pte Ltd Flash unit having a micro fresnel lens
JP2014508325A (ja) 2011-02-22 2014-04-03 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェ プリズム積層を有するコリメータ、及び、かかるコリメータを有する照明ユニット
KR20130102679A (ko) * 2012-03-08 2013-09-23 삼성디스플레이 주식회사 광원 어셈블리 및 이를 포함하는 표시장치

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1938634A (zh) * 2003-11-18 2007-03-28 莫林技术有限公司 可变光阵列和可变制作方法
US20080043326A1 (en) * 2003-11-18 2008-02-21 Merlin Technology Limited Liability Company Variable Optical Arrays and Variable Manufacturing Methods
CN101680974A (zh) * 2007-06-05 2010-03-24 旭化成电子材料株式会社 反射片
US20100178046A1 (en) * 2009-01-09 2010-07-15 Samsung Led Co., Ltd. Camera flash lens and portable device including the same
CN102667543A (zh) * 2009-12-21 2012-09-12 3M创新有限公司 透反制品和灯组件
CN103765090A (zh) * 2011-06-24 2014-04-30 吉可多公司 具有反射掩模的基于led的照明模块

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