CN116666531A - 发光器件和光照器件 - Google Patents

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Q.范伍尔斯特瓦德
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Abstract

描述了一种分割光或光学功率发射器件和光照器件。分割器件包括具有光或光学功率发射半导体结构的管芯，该光或光学功率发射半导体结构包括设置在n层和p层之间的有源层。沟槽形成在至少半导体结构中并将该管芯分离成可单独寻址的区段。有源层发射具有第一色点或光谱的光或光学功率。至少一个波长转换层与管芯相邻，并将光或光学功率转换为具有至少一个第二色点或光谱的光或光学功率，并且将未被转换的、穿过至少一个波长转换层的泵浦光或光学功率与由光或光学功率发射器件发射的总光或光学功率的能量比限制为小于10％。

Description

发光器件和光照器件
本案为分案申请，母案是申请号为201780082499.7的进入国家阶段的PCT申请，其发明名称为“发光器件和光照器件”，申请日为2017年11月6日。
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年11月7日提交的美国临时专利申请第62/418447号、2017年11月5日提交的美国非临时专利申请第15/803803号的权益，其通过引用并入，如同完全阐述一样。
背景技术
包括发光二极管、谐振腔发光二极管、垂直腔激光器二极管和边缘发射激光器的半导体发光器件或光学功率发射器件(诸如发射紫外(UV)或红外(IR)光学功率的器件)属于当前可用的最高效的光源。由于其紧凑的尺寸和较低的功率要求，例如，半导体光或光学功率发射器件(为了简单起见，本文称为LED)是用于手持电池供电器件(诸如相机和手机)的光源(诸如相机闪光灯)的有吸引力的候选者。它们还可以用于摄像机的手电筒、以及用于诸如家庭、商店、办公室和工作室照明、剧院/舞台照明和建筑照明的一般光照。单个LED经常提供比典型光源更不明亮的光，并且因此，LED的阵列经常用于这样的应用。
发明内容
描述了一种分割的光或光学功率发射器件和光照器件。该分割器件包括具有光或光学功率发射半导体结构的管芯，该光或光学功率发射半导体结构包括设置在n层和p层之间的有源层。沟槽形成在至少半导体结构中并将管芯分离成可单独寻址的区段。有源层发射具有第一色点或光谱的光或光学功率。至少一个波长转换层与管芯相邻，并将光或光学功率转换为具有至少一个第二色点或光谱的光或光学功率，并且将未被转换的、穿过至少一个波长转换层的泵浦光或光学功率与由光或光学功率发射器件发射的总光或光学功率的能量比限制为小于10％。
附图说明
图1A是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割LED的截面的视图的示意图，该示例分割LED具有在所有区段上方的单个完全转换波长转换层；
图1B是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割LED的截面的视图的示意图，该示例分割LED具有不是完全光学密封的并且分别设置在一个或多个区段上方的单独的完全转换波长转换层；
图1C是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割LED的截面的视图的示意图，该示例分割LED具有被部分地分割并且设置在所有区段上方的单个完全转换波长转换层；
图1D是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割LED的截面的视图的示意图，该示例分割LED具有散射或关闭状态白色层覆盖物；
图1E是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割LED的截面的视图的示意图，该示例分割LED具有部分分割的散射或关闭状态白色层覆盖物；
图1F是提供跨三个可寻址区段截取的示例分割定向蓝色LED的截面的视图的示意图；
图2是示例智能电话的背面的示意图；
图3A和3B是包括双分割LED的示例闪光灯模块的示意图；
图3C是包括三个分割LED的示例闪光灯模块的示意图；
图4是用于诸如智能电话相机的相机中的示例成像系统的框图；
图5是操作一个或多个分割LED的示例方法的流程图，其中由区段输出的光或光学功率在距所述一个或多个LED的短距离处被混合；
图6A、6B、6C和6D是示出菲涅耳透镜的不同布置的示例成像系统的示意图，该菲涅耳透镜用于将一个或多个分割LED的一个或多个图像投射到待被拍摄的场景上；
图7A，7B、8A、8B、9A、9B、10A和10B是图示不同方式的示例的示意图，可以利用单个电流或变化的电流来寻址一个或多个分割LED的区段，以不同地照射场景中的目标对象；以及
图11是操作一个或多个分割LED的示例方法的流程图，其中由区段输出的光被投射到场景上。
具体实施方式
本文描述了分割的半导体光或光学功率发射器件(为了简单起见在本文中称为LED)，其包括其中形成有沟槽的单个半导体管芯，所述沟槽使管芯的各个区段彼此电绝缘。每个区段可以单独接触并耦合到电路板上的金属迹线，使得区段可以被单独寻址。与单独LED的阵列相比，可以经由在组装方面更容易的制造(例如，可能需要更少的具有精确定位的拾取和放置步骤)并且以极大降低的成本来生产如本文描述的分割LED。另外，分割LED可以具有比单独LED的阵列减小的体积(尺寸)。
在本文描述的实施例中，器件可以包含多于一个分割LED(例如，双LED闪光灯模块)，其中每个分割LED提供特定色点或光谱的光。可以寻址分割LED的各个区段，而其他区段保持关闭，以提供精确的色点或目标光谱受控的闪光或其他输出光(诸如用于摄像机的手电筒、工作室照明、剧院/舞台照明或建筑照明的)。例如，对于双LED闪光灯模块，可以选择性地寻址冷白色分割LED中的区段和暖白色分割LED中的区段，以提供取决于环境光的更暖或更冷的组合输出光。LED和/或区段的其他颜色或光谱也可以被用来产生精细调整的色点或目标光谱。
通过在分割LED中寻址更多或更少的区段，即使在相同的驱动电流的情况下，也可以增大或降低闪光灯模块或其他照明模块的整体亮度水平。也可以通过改变驱动电流来改变亮度。另外，可以通过将分割LED的图像投射到待被拍摄的场景上并且改变投射到场景的不同区上的闪光灯的亮度和/或色点或目标光谱来实现各种照明效果。
对于分割LED或包括紧密间隔的多个LED或区段的任何器件，可能由一个LED或区段发射的泵浦光或光学功率(即，由LED的有源层发射的未转换光或光学功率)中的至少一些将穿入到相邻的LED或区段中。当发生这种情况时，取决于相邻LED或区段中的磷光体的组成以及泵浦光的色点或光谱，穿入到相邻LED或区段中的光可以激活其磷光体。因此，未被激励的相邻LED或区段可以发射纯磷光体颜色或光谱。例如，对于由钇铝石榴石(YAG)磷光体层覆盖的、发射蓝色泵浦光的LED或区段的阵列，当来自相邻LED的蓝色泵浦光穿入到未被激励的相邻LED或区段中时，未被激励的相邻LED或区段可以点亮黄色。出于多种原因(包括例如，它可能更改由在光或光学功率输出被混合的应用中的LED或阵列输出的复合光或光学功率的色点或光谱，或者它可能更改各个像素的色点或目标光谱)，这种现象可能是不合乎期望的。
本文描述了利用完全转换波长转换层(例如，磷光体层)的各种实施例，该完全转换波长转换层产生具有期望色点或目标光谱的光输出，同时将未被转换的、穿过波长转换层的泵浦光或光学功率(例如，蓝色泵浦光)与由LED发射的总光或光学功率的能量比限制为在一些实施例中小于10％并且在一些实施例中小于2％。
当在区段被紧密间隔的分割LED上使用时，使用这种完全转换波长转换层将减少或消除相邻区段点亮不期望的颜色或光谱的现象，因为完全转换波长转换层将把进入到区段的任何杂散光或光学功率转换为期望的颜色或光谱。换句话说，穿入到相邻区段中的任何杂散泵浦光或光学功率将导致相邻LED发射具有与激励区段相同的色点或目标光谱的较低亮度光或光学功率。另外，在完全转换波长转换层中远离激励区段行进的光将仍然是相同的纯磷光体颜色或光谱，因为磷光体层可以被制作得足够厚和/或足够致密，以便在激励区段上方不混合直接泄露的泵浦光或光学功率(例如，蓝色)。这能够实现对于分割LED的非常准确的色点或目标光谱选择，因为相邻LED或区段之间的光学串扰不影响LED的整体色点或目标光谱。在分割LED的图像被投射到场景上的实施例中，使用完全转换波长转换层还可以防止区段之间的光学串扰改变颜色或光谱(特别是在区段的边缘处)，区段之间的光学串扰改变颜色或光谱可以在场景上产生可见的彩色或光谱过渡。因此，可以使照射场景的颜色或光谱是恒定的，并且不作为场景的投射图像的位置的函数而变化。
图1A是提供跨三个可寻址区段截取的分割LED 100的截面的视图的示意图。图示的分割LED 100A包括半导体管芯，该半导体管芯包括由诸如蓝宝石生长衬底的衬底110形成的光或光学功率发射结构，在衬底110上生长一个或多个n型层130、一个或多个p型层140以及光或光学功率发射有源区135。在管芯中形成(例如，通过刻蚀)沟槽170a和170b，以将LED 100A分割成区段160a、160b和160c，区段160a、160b和160c经由沟槽彼此电绝缘。每个区段160被提供有其自己的接触部145和150。每个区段的接触部145和150接触电路板165上的金属迹线(未示出)，这允许电流被单独地施加到每个区段160，使得区段可以被单独寻址并且以任何组合和以相同或变化的电流水平被接通。
光或光学功率发射半导体结构可以是发射光或光学功率的任何光或光学功率发射半导体结构，所述光或光学功率可以经由波长转换材料转换(例如，转换成白光或更宽的光谱)。这种半导体结构的示例是发射蓝光、紫光或紫外(UV)光的III族氮化物结构，诸如由镓、铝、铟以及氮的二元、三元和四元合金中的一种或多种形成的半导体结构。半导体结构的其他示例可以包括由III-V族材料、II族磷化物材料、III族砷化物材料、II-VI族材料、氧化锌(ZnO)或硅(Si)基材料形成的半导体结构。还可以使用半导体激光器。
n型区130可以生长在生长衬底110上，并且可以包括一层或多层半导体材料。这样的一层或多层可以包括不同的组分和掺杂剂浓度，包括例如准备层(诸如缓冲层或成核层)和/或被设计成便于生长衬底的去除的层。这些层可以是n型或非有意掺杂的，或甚至可以是p型器件层。这些层可以针对特定光学、材料或电气属性而设计，所述属性对于光或光学功率发射区用来高效地发射光或光学功率是合乎期望的。与n型区130相同，p型区140可以包括不同组分、厚度和掺杂剂浓度的多个层，包括非有意掺杂的层或n型层。虽然在本文中将层130描述为n型区并且在本文中将层140描述为p型区，但是在不脱离本文描述的实施例的范围的情况下，也可以调换n型区和p型区。
有源区135可以包括单个厚或薄的光或光学功率发射层。可替换地，有源区135可以是多个量子阱光或光学功率发射区，其可以包括由势垒层分离的多个薄或厚的光或光学功率发射层。
p接触部145可以形成在p型区140的表面上。p接触部145可以包括多个导电层，诸如反射金属和可以防止或减少反射金属的电迁移的保护金属。反射金属可以是银或任何其他合适的材料。n接触部150可以形成为在有源区135、n型区140和p接触部145的部分已经被去除以暴露n型区130的表面的至少一部分的区中与n型区130的表面相接触。
n接触部150和p接触部145不限于图1A中所图示的布置并且可以以任何数量的不同方式布置。在实施例中，可以在光或光学功率发射半导体结构中形成一个或多个n接触部过孔，以在n接触部150和n型层130之间形成电气接触。可替换地，n接触部150和p接触部145可以被重新分布，以形成具有本领域已知的电介质/金属叠层的焊盘。
在图1A中所图示的示例中，生长衬底110在分割后被留在管芯上。在其他实施例中，可以去除(例如，使用激光器剥离)生长衬底110以形成薄膜LED区段160a、160b和160c。完全转换波长转换层120a被设置在管芯上方，其与衬底110直接接触或与薄膜区段160a、160b和160c直接接触。如上面描述的那样，完全转换波长转换层120a是波长转换材料层，其产生具有期望色点或目标光谱的光或光学功率输出，同时将未被转换的、穿过波长转换层的泵浦光或光学功率(例如，蓝色泵浦光)与由发光器件发射的总光或光学功率的能量比限制为在一些实施例中小于10％并且在一些实施例中小于2％。在实施例中，波长转换材料可以是任何发光材料，诸如透明或半透明粘合剂或基质中的磷光体或磷光体颗粒，其吸收一种波长的光或光学功率并发射不同波长的光或光学功率。在图1中所图示的示例中，磷光体颗粒125被设置在透明粘合剂或基质126中。
可以调节磷光体颗粒的浓度、组分和尺寸，以及完全转换波长转换层120a的厚度，使得经由完全转换波长转换层120a发射的光或光学功率可以看起来是红色、绿色、青色、暖白色、冷白色或任何其他期望的颜色或光谱。在实施例中，完全转换波长转换层120a可以具有20μm到100μm之间的厚度。最大层厚度将与区段尺寸有关。为了减少边缘效应，厚度应当≤区段长度的1/3。磷光体颗粒比粘合剂或基质材料的浓度可以取决于沉积技术，并且范围可以从以体积计10％到以体积计接近80％。磷光体细粒的尺寸范围可以从1μm到50微米的中间值。更致密浓度的磷光体细粒、更小的磷光体细粒以及更厚的波长转换层(即，在所述范围的上端)可以被用来抑制泵浦光或光学功率未转换地穿过该层。考虑到仅少量泵浦光(例如，蓝光)或光学功率(例如，UV或IR)将穿过，可以选择包括在层中的磷光体的组分以产生通过该层发射的光的期望色点或目标光谱。例如，完全转换波长转换层120a可以发射蓝色、红色和绿色分量。波长转换磷光体层可以包括商业可用的磷光体的组合。使用磷光体转换发射而不是直接光对于许多应用是有益的，例如，由于所生成的更宽光谱以及半导体泵浦可以选择相同并且在例如电流和温度依赖方面将具有类似的行为。
当通过经由电路板165上的对应迹线将电流施加到区段160中的一个或多个来激励其时，区段160中的一个或多个发射具有第一颜色或光谱(颜色1)的光或光学功率。在图1A中所图示的示例中，区段160b被激励并发射具有第一颜色或光谱(颜色1)的光或光学功率(例如，光线127)，并且波长转换层120a中的磷光体125将第一颜色或光谱(颜色1)的光或光学功率完全转换为第二颜色或光谱(颜色2)的光，使得未被转换的、穿过波长转换层120a的、具有第一颜色或光谱(颜色1)的泵浦光或光学功率与由光或光学功率发射器件100A发射的总光或光学功率的能量比被限制为在一些实施例中小于10％并且在一些实施例中小于2％。
在实施例中，颜色或光谱1可以分别是例如蓝色、紫色或UV泵浦，并且颜色或光谱2可以是例如暖白颜色、冷白颜色、红色、青色或绿色中的一种。在实施例中，暖白颜色可以具有1800K到2500K之间的色点并且可以呈现橙色，并且冷白色可以呈现蓝色或青色。尽管关于目标白色调节的颜色描述了本文描述的实施例，但是本领域普通技术人员将意识到第二颜色或光谱(颜色2)可以是取决于应用的任何颜色，诸如红色、绿色或蓝色。
图1B是提供跨三个可寻址区段截取的另一示例分割LED 100B的截面的视图的示意图。在图1B中所图示的示例中，代替使用设置在所有区段160上方的单个完全转换波长转换层120a，单独的完全转换波长转换层180、185和190设置在相应区段或相应区段组(未示出)上方。单独的完全转换波长转换层可以不是完全光学密封的，以提供部分分割的完全转换波长转换。
图1C是提供跨三个可寻址区段截取的另一示例分割LED 100C的截面的视图的示意图。在图1C中所图示的示例中，单个完全转换波长转换层120b设置在所有区段160上方。然而，在图1C中，通过在相邻的区段160a、160b和160c之间形成相应的分隔187a和187b，完全转换波长转换层120b被部分地分割。例如，可以通过在完全转换波长转换层120b中进行激光器切割来形成分隔187a和187b，所述激光器切割不完全切穿层120b以提供部分分割的完全转换波长转换层120b。
图1D是提供跨三个可寻址区段160a、160b和160c截取的另一示例分割LED 100D的截面的视图的示意图。在图1D中所图示的示例中，LED 100D包括设置在完全转换波长转换层120c上的散射或关闭状态白色层195a。散射或关闭状态白色层195a可以包括TiOX的颗粒、其他散射材料的颗粒、或者设置在光学透明材料或基质中的任何关闭状态白色材料(诸如石蜡)。层195a可以被用来提供对由各个区段发射的光的散射，如下面更详细描述的那样，和/或被用来在分割LED被关闭时为分割LED提供白色外观。
图1E是提供跨三个可寻址区段160a、160b和160c截取的另一示例分割LED 100E的截面的视图的示意图。在图1E中所图示的示例中，散射或关闭状态白色层195b被形成在层195b中的相应分隔197a和197b部分地分割。与图1C的实施例类似，散射或关闭状态白色层195b可以通过在层中进行激光器切割而被部分地分割，所述激光器切割不完全切穿该层，以便提供部分分割的散射或关闭状态白色层195b。
图1F是提供直接蓝色分割LED 100F的截面的视图的示意图。在图1F中所图示的示例中，不使用波长转换层，并且泵浦光或光学功率以其原始颜色或光谱(例如，蓝色)从LED发射出。在实施例中，散射层199可以设置在区段160上方，如下面更详细描述的那样。分割层可以是如图1F中示出的非分割的或如图1E中示出的部分分割的。
在使用部分分割的完全转换波长转换层和/或部分分割的散射或关闭状态白色层的实施例中，完全转换减少或消除了颜色阴影的风险，而部分分割在合乎期望的情况下增加了区段与区段的对比度。
在随后的实施例中，所描述的分割LED可以是关于图1A、1B、1C、1D、1E或1F描述的分割LED中的任一个，或者本领域普通技术人员将理解的任何变型。另外，虽然使用术语分割LED，但是分割LED可以是任何类型的硅光或光学功率发射器件(包括激光器)，并且可以发射可见或光学功率(例如，IR光谱，其中目标辐射在IR范围内，并且泵浦光或光学功率可以是UV直到红色并且可以是基于LED或基于激光器的)。
图2是示例智能电话200的背面的示意图。图2中所图示的智能电话200具有可以包括透镜(240)的相机模块210，图像传感器单元经由该透镜(240)可以捕获场景的图像。相机模块210还包括闪光灯模块250，闪光灯模块250可以包括一个或多个LED，诸如多个LED100。在图2中所图示的示例中，闪光灯模块250包括两个LED 220和230。然而，本领域普通技术人员将理解，可以使用与本文描述的实施例一致的一个或多个LED。闪光灯模块250中的一个或多个分割LED的不同潜在布置的示例在图3A、3B、3C中提供。
图3A和3B是包括如图2中的双LED 220和230的示例闪光灯模块250的示意图。在图3A中所图示的示例中，闪光灯模块250a包括冷白色分割LED 220a和暖白色分割LED 230a。冷白色分割LED 220a可以包括多个可寻址区段，多个可寻址区段中的全部都可以由被调节以发射具有期望颜色(诸如青白色)的光的完全转换波长转换层覆盖，该完全转换波长转换层可以被UV光泵浦，或者可以是直接蓝色或直接青色发射LED。示例青白色波长转换层包括BAM(Eu活化的Ba-Mg-铝酸盐)、ZnS:Ag或Sr3MgSi2O8:Eu(SMS)。注意，对于可见应用，如果应用不检测UV光，则UV泵浦的青色波长转换层不一定必须是完全转换的。然而，出于效率和安全原因，它仍然是优选的。
暖白色分割LED 230a可以类似地包括多个可寻址区段，多个可寻址区段中的全部都可以由被调节以发射具有在暖白橙色范围内的色点的光的完全转换波长转换层覆盖。示例暖白色完全转换波长转换层可以包括BSSN((Ba,Sr)2Si5N8:Eu)、YAG:Ce和Sr[LiAl3N4]:Eu2+。
在图3B中所图示的示例中，闪光灯模块250b包括红色分割LED 220b和青色分割LED 230b。红色分割LED 220b可以包括多个可寻址区段，多个可寻址区段中的全部都可以由被调节以发射红光的完全转换波长转换层覆盖。示例红色完全转换波长转换层可以包括_BSSN((Ba,Sr)2Si5N8:Eu)或Sr[LiAl3N4]:Eu2+。青色分割LED 230b可以类似地包括多个可寻址区段，多个可寻址区段中的全部都可以由被调节以发射青光的完全转换波长转换层覆盖。示例青色完全转换波长转换层可以包括YAG:Ce和Y,LuAG:Ce。
图3C是包括三个分割LED 220c、230c和310的示例闪光灯模块250c的示意图。在图3C中所图示的示例中，闪光灯模块250c包括红色分割LED 220c、绿色分割LED 230c和蓝色分割LED 310。红色分割LED 220c可以与图3B的红色分割LED 220b相似。绿色分割LED 230c可以包括多个可寻址区段，多个可寻址区段中的全部都可以由被调节以发射绿光的完全转换波长转换层覆盖。示例绿色完全转换波长转换层可以包括YAG:Ce磷光体或YLuAG-Ce磷光体。
蓝色LED 310(或蓝色范围内的冷白色LED)可以不需要波长转换层，因为LED 310的有源层可以直接发射蓝光。在可以使用直接蓝色LED的实施例中(诸如在图3C或图3A中)，LED可以包括光散射层，诸如TiOx颗粒被分散到其中的硅树脂层。TiOx层可以被用来调节磷光体覆盖的LED(诸如红色和绿色LED 220C和230C)的源尺寸。散射层也可以用在这种实施例中以漫射光或光学功率，使得来自闪光灯模块中的所有LED的亮度分布和辐射图案都类似，这可以允许针对每个LED使用相同的光学器件以用于适当的场景光照。
出于许多不同的目的，一个或多个分割LED 100可以用在相机模块210的闪光灯模块250中，这在下面更详细地描述。在实施例中，由一个或多个分割LED输出的光或光学功率可以在距该一个或多个LED的短距离处被混合，使得闪光灯模块250的整体光或光学功率输出的色点或光谱可以被调节以匹配环境照明。在另外的实施例中，不是混合由区段输出的光或光学功率，而是可以将来自一个或多个分割LED中的各个区段的光或光学功率投射到待被拍摄的场景上(例如，使用菲涅耳透镜)。可以完成这一点，例如，以在待被拍摄的场景处提供更均匀的照明，以突出待被拍摄的场景的不同区，或者以改变照射待被拍摄的场景的不同区的光或光学功率的色点或光谱。
图4是用于相机(诸如图2的智能电话相机模块210)中的示例成像系统400的框图。示例成像系统400可以被用来提供具有根据环境照明被调节或者抵消环境光的不合乎期望的特性的色点或光谱的闪光灯输出。示例成像系统400还可以被用来改变不同区段的亮度并将一个或多个分割LED的图像投射到待被拍摄的场景上。
图4中所图示的示例成像系统400包括包含两个分割LED 425和430的闪光灯模块250，但是本领域普通技术人员将理解，可以依照本文描述的实施例使用一个或多于两个分割LED。分割LED可以耦合到驱动器420，驱动器420可以向一个或多个分割LED供应电力，如下面更详细描述的那样。驱动器420可以耦合到处理器410(例如，微处理器)，处理器410可以被耦合以接收来自用户接口405、图像传感器单元415和可选地3D传感器450的输入。在实施例中，控制分割LED 425-430的各种电路(诸如处理器410和驱动器420)可以被称为控制器。
图像传感器单元425可以是为了测量环境光和/或创建场景的光照轮廓的目的而使用的图像传感器。可替换地，图像传感器单元425可以包括用于相机的主图像传感器。在实施例中，独立的相机控制器可以是图像传感器单元425的一部分，并且可以控制图像传感器的曝光。用户接口405可以是例如用户激活的输入设备(诸如用户按压以拍摄图片的按键)或触摸屏设备。然而，在实施例中，可能不需要用户输入，诸如在可以自动拍摄图片的情况下。
光学元件435和440出于各种目的而被而提供，并且可以根据它们被用于的应用而变化。在实施例中，光学元件可以是准直透镜，其可以将来自对应的分割LED的光在距分割LED的短距离处混合并将组合光聚焦在场景445上。在实施例中，光学元件可以是菲涅耳透镜，其被用来将对应的分割LED的图像投射到待被拍摄的场景445上(如下面更详细描述的那样)。
3D传感器450(如果被包括的话)可以是能够在捕获场景的最终图像之前制作待被拍摄的场景的3D轮廓的任何合适的传感器。在实施例中，3D传感器450可以是飞行时间(ToF)相机，并且可以使用时间来计算到待被拍摄的场景中的每个对象的距离。在实施例中，3D传感器450可以是结构化光传感器，其可以包括将特殊设计的光图案投射到场景上的投射设备。相机也可以被包括在结构化光传感器中，以测量从场景中的对象反射的光图案的每个部分的位置，并且通过三角测量确定到对象的距离。在实施例中，3D传感器450可以是一个或多个辅助相机，它们在设备的主体中彼此相距一定距离定位。通过比较如由一个或多个辅助相机看到的对象的位置，可以通过三角测量确定到每个对象的距离。在实施例中，3D传感器450可以使用设备(例如，图像传感器单元415)中的主相机的自动聚焦信号。在扫描相机透镜的焦点位置时，系统可以检测到场景的哪些部分在哪些位置处对焦。然后可以通过将对应的透镜位置转化成到这些位置对焦的对象的距离来构建场景的3D轮廓。可以通过常规方法(诸如通过测量对比度或通过使用相机传感器内的相位检测传感器)导出合适的自动聚焦信号。当使用相位检测传感器时，在一些实施例中，为了闪光灯模块的最佳功能，各个相位检测传感器的位置可以对应于由一个或多个分割发光器件的独立区段照射的区域，如下面描述的那样。
在来自分割发光器件中的多个区段的光被聚焦到场景上之前该光被混合的实施例中，处理器410可以确定环境照明的色点并且控制驱动器420调节由一个或多个分割LED425-430输出的混合光，以匹配环境照明的色点或者以抵消环境光的不合乎期望的特性。这可以通过控制驱动器420寻址分割LED中的每一个的特定区段或单个LED使得每种颜色是整个光输出的特定百分比来完成。以示例的方式，如果分割发光器件425是暖白色器件并且分割发光器件430是冷白色器件，并且环境照明的色点是75％冷和25％暖的色点，则可以寻址冷白色器件430中的区段的75％，并且可以寻址暖白色器件425中的区段的25％。在这种实施例中，可以将相同的电流施加到每个被寻址的区段以保持准确的色点。在其他实施例中，可以将不同的电流施加到不同的被寻址区段以使它们发射更明亮的光，并且处理器410将在确定要寻址每个分割发光器件中的多少区段时计及亮度差异。当使用不同数量的分割LED时并且当使用不同颜色的分割LED时，处理器410可以类似地表现。
图5是操作一个或多个分割发光器件的示例方法的流程图500，其中由区段输出的光被混合。在图5中所图示的示例中，该方法包括测量环境照明的色点(510)。这可以根据本领域已知的任何方法来完成，诸如通过控制图像传感器单元415对场景445进行初始成像并分析图像以确定环境光的色点。然后可以确定要寻址的一个或多个分割发光器件中的每一个区段(520)。这可以例如通过处理器410访问查找表来完成，该查找表可以基于所确定的环境光的色点来告知处理器410要寻址哪些区段以匹配环境光的色点或抵消光的特定特性(诸如荧光的绿色特性)。然后，处理器410可以控制驱动器420寻址所确定的区段(530)。
在将分割的一个或多个LED的图像投射到场景445上的实施例中，处理器410可以确定场景445的最佳照度轮廓，以及控制驱动器420寻址某些区段并且基于所确定的最佳照度轮廓来使用某些电流以驱动特定区段。可以使用一个或多个菲涅耳透镜以将每个分割发光器件的图像投射到待被拍摄的场景445上。
图6A、6B、6C和6D是示例成像系统的示意图，该示例成像系统示出了分割发光器件和菲涅耳透镜的不同布置，所述菲涅尔透镜用于将一个或多个分割LED的一个或多个图像投射到待被拍摄的图像445上。在图6A和6B中，成像系统600A和600B各自包括被用来照射场景610A/610B的相应的单个分割LED 605A/605B和相应的菲涅耳透镜615A/615B。如可以从图示中看出的，分割发光器件605A/605B的某些区段被激活(用X指示)，并且使用菲涅耳透镜615A/615B投射分割LED 605A/605B的图像，使得通过激活用X指示的区段产生的图案的镜像被投射到场景610A/610B上(投射到场景上的光图案在附图中用Xs指示)。
在图6C和6D中，使用两个分割LED和两个对应的菲涅耳透镜。在图6C中，成像系统600C包括两个分割LED 605C和606A以及两个菲涅耳透镜615C和616A。菲涅耳透镜615C和616A各自被配置为将相应的分割LED 605C和606A的图像投射到场景620的对应区上。在图6C中所图示的示例中，透镜615C将分割LED 605C的图像投射到场景610A的上部区620上，并且透镜616A将分割LED 606A的图像投射到场景610A的下部区625上。如下面更详细描述的那样，这可以使得系统600C能够实现不同的照明效果，诸如将较暖的光投射到场景的下部分上并且将较冷的光投射到场景的上部分上。在一些实施例中，分割LED 605C和606A可以照射场景610A的重叠部分，以便为重叠部分提供更多的光。例如，投射到场景上的阵列可能在场景的中心处重叠，场景的中心通常比场景的边缘需要更多的光。
在图6D中，成像系统600D包括两个分割LED 605D和606B以及两个菲涅耳透镜615D和616B。在图6D中所图示的示例中，系统600D可以是颜色可调的。分割发光器件605D和606B发射相应的束630和635，束630和635在照射场景610D时重叠。处理器410可以计算要供应给每个分割LED 605D/606B的适当电流，使得来自阵列的光的总和具有针对场景的每个部分的期望的照度和色点。可以添加与本文描述的实施例一致的发射附加颜色的附加分割LED(或光发射器)。
图7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A和10B提供了不同方式的示例，可以利用单个电流或变化的电流来寻址一个或多个分割LED的区段，以不同地照射场景700中的目标对象710。在2016年11月2日提交的、公开号为WO/2017/080875的PCT申请中提供了更多细节，其通过引用并入，如同在本文完全阐述一样。在实施例中，根据计算的光照轮廓，由附图中的虚线圆圈标识的目标710可能比场景的其余部分需要更多光。
分配要被施加于分割LED的一个或多个区段的电流的一个考虑在于，对于诸如移动或其他电池供电设备的一些设备，可用于闪光灯模块250的最大电流量受到设备电池的容量的限制。在定义所有区段的驱动电流水平时，系统可以考虑最大可用电流并且定义每个区段的驱动电流水平，使得总驱动电流不超过最大值，而区段之间的强度的正确比率被维持并且总光输出被最大化。
图7A图示了当分割LED 750A(在图7B中图示出)的所有区段720A被寻址并被供应有相同电流量时场景700A如何被照射。如图示的那样，场景的中心比边缘被更多照射，并且特别地，位于场景中心附近的目标710A的部分比位于场景边缘附近的目标710A的部分被更多照射。
图8A图示了当区段720B的子集(并且特别是在分割LED 750B的中间和左下区中的三个区段722、724和726(在图8B中图示出))被寻址并被供应有相同的电流而区段720B的其余部分没有被寻址并且没有被供应电流时，场景700B如何被照射。如图8A中所图示的那样，大致对应于目标710B的场景700B的右侧比场景700B的其余部分被更明亮地照射。被寻址区段722、724和726的电流密度可能是图7B中的寻址区段(其中所有区段720A被供应有相同的电流)的三倍。因此，图8A中的目标710B的照度可能是图7A中的目标710A的照度的约1.6倍。为了获得更高的照度，可以寻址更少的区段。
图9A图示了当单个区段720C被寻址并被供应有最大电流而其他八个区段720C不被寻址并且不被供应有电流时，场景700C如何被照射。在图9B中所图示的示例中，最左列的中心处的区段728被寻址并被提供有最大电流。如图9A中所图示的那样，大致对应于目标的场景700C的右侧比场景700C的其余部分被更明亮地照射，但是例如高度照射的光斑比图8A中的更小。然而，例如，图8A中的目标的照度比图7A中的目标的照度更大。
在实施例中，为了改善跨整个目标710的照度的均匀性，处理器410可以控制驱动器420改变供应给不同寻址区段的电流。
图10A图示了当四个区段720D被寻址并且被供应有变化的电流水平而五个区段720D不被寻址并且不被供应有电流时，场景700D如何被照射。在图10B中所图示的示例中，最左列中的中心区段730被供应有的电流是中心列中的底部区段736的电流的四倍，并且是中心区段732和最左列中的底部区段734的电流的两倍。区段720D的顶行和最右列不接收电流，如图10B中所图示的那样。如图10A中所图示的那样，大致对应于目标710D的场景700D的右侧比场景700D的其余部分被更明亮地照射，并且目标710D的照度比例如图7A、8A和9A中更均匀。
在其他实施例中，当处理器410从例如用户接口405接收拉近相机透镜的指令时，分割LED的中心附近的区段可以接收更多电流。在实施例中，场景的中心处的照度可以被增加到图7A中所图示的场景的中心的1.15倍。在其他实施例中，场景的中心处的照度可以被增加到图7A中所图示的场景的中心的2.2倍。相反，当处理器410从例如用户接口405接收拉远相机透镜的指令时，分割LED的边缘附近的区段可以接收更多电流。对于广角应用，分割LED的边缘处的区段可以接收相等的电流，而中心区段可以不接收电流。在实施例中，场景的中心处的照度可以被减小到图7A中的场景的中心处的照度的0.85倍。
系统400还可以被用来例如通过仅向对应于每个目标的区段提供电流或通过向对应于每个目标的区段提供更多电流来照射多个目标。附加地，系统400可以被用来通过仅向对应于远离相机的要素的区段提供电流或通过向对应于远离相机的要素的区段提供更多电流来减少包含靠近相机和远离相机的要素的场景中的过度曝光。虽然本文描述的实施例提供了控制闪光灯色点和亮度分布的自动方法，但是用户接口405还可以被用来向用户提供对于闪光灯色点和亮度分布的个人控制。
虽然上面例如关于图7A、7B、8A、8B、9A、9B、10A和10B描述的实施例关于单个分割LED而被描述，但是本领域普通技术人员将意识到，它们同样适用于在闪光灯模块中包括多于一个分割LED的实施例。例如，如果两个分割LED发射不同的白光色点，则可以寻址每个分割LED中的相同区段以确保LED图像在场景上的良好重叠，以确保在一些实施例中可以通过改变到LED中的一个的电流来调整均匀照射颜色和每种色点与组合光照的相对量。
上面提供的示例的照度值是针对所图示的具有单个菲涅耳透镜的3×3分割LED而计算的。然而，如上面的实施例中所描述的那样，它们可以适配于具有不同数量的区段的分割LED和具有多个菲涅耳透镜的多个分割LED。每个区段的光输出可以由分割LED的驱动器电流或由具有固定电流的脉冲持续时间控制。
图11是操作一个或多个分割LED的示例方法1100的流程图，其中由区段输出的光被投射到场景上。在图11中所图示的示例中，该方法包括测量待被拍摄的场景(1110)并为场景创建光照轮廓(1120)。然后可以控制驱动器420寻址一个或多个分割LED的特定区段，以基于光照轮廓将特定电流施加到所寻址的区段(1130)。
在实施例中，可以使用3D传感器450和图像传感器单元415中的一个或多个来测量场景。在一个示例中，用户接口405可以向处理器410提供指示要拍摄图片的指令。图像传感器单元415或3D传感器450可以在闪光灯模块250关闭的情况下捕获对应于图像传感器单元415的视场的场景445的第一初步图像。然后可以以较低的光输出模式(例如，手电筒模式)接通闪光灯模块250。此时，闪光灯模块的照度轮廓可以被设定为均匀的，这意味着场景445的所有区都利用已知的光照轮廓而被照射。然后可以使用图像传感器单元415或3D传感器450捕获第二初步图像，同时闪光灯模块250继续以均匀照度轮廓和低亮度接通。然后，处理器410可以计算场景445的所有区的最佳亮度，以实现最佳曝光。例如，这可以通过从第二初步图像的相应像素亮度值减去第一初步图像的像素亮度值并且缩放差异以实现最佳曝光水平来完成。然后，图像传感器单元415可以根据所确定的照度轮廓在闪光灯模块250被激活的情况下捕获场景445的最终图像。
在另一示例中，处理器410可以接收诸如来自用户接口405的、指示应当拍摄图片的输入。然后，处理器410可以控制图像传感器单元415或3D传感器450在闪光灯模块250关闭的情况下捕获对应于图像传感器单元415的视场的场景445的第一初步图像。然后可以生成场景445的3D轮廓。例如，3D传感器450可以生成场景的3D轮廓，或者3D传感器450可以感测关于场景450的数据并将数据传送到处理器410，处理器410可以生成场景的3D轮廓。然后，处理器410可以计算场景445的所有部分的最佳亮度，以实现最佳曝光。基于该计算，处理器410可以使用闪光灯模块250控制驱动器420照射场景445。
在又一示例中，处理器410可以接收诸如来自用户接口405的、指示应当拍摄图片的输入。然后，处理器410可以控制图像传感器单元415或3D传感器450在闪光灯模块关闭的情况下捕获对应于图像传感器单元415的视场的场景445的第一初步图像。然后可以生成场景445的3D轮廓。此时，闪光灯模块的照度轮廓可以保持均匀，这意味着场景445的所有部分都被照射。然后可以利用以手电筒模式的闪光灯模块250捕获第二初步图像。然后，处理器410可以计算场景445的所有部分的最佳亮度，以基于所捕获的两个初步图像和3D轮廓(如在上面的第二示例中描述的那样)实现最佳曝光。然后，图像传感器单元415可以根据所计算的照度轮廓在闪光灯模块250被激活的情况下捕获最终图像。
还可以为本文描述的实施例定义一个或多个光照模式。例如，在第一组光照模式中，来自闪光灯模块250的光照可以跨场景分布以实现最均匀有用的照射图片。特别地，在一些实施例中，可以最小化过度曝光，诸如在前景被环境光良好照射的情况下，可以将所有光从闪光灯模块250定向到场景445的背景。在一些实施例中，闪光灯模块250可以充当闪光的补充，诸如在背景被环境光良好照射并且来自闪光灯模块250的所有光被定向到前景的情况下。在一些实施例中，在前景和背景被环境照明均匀照射的情况下，来自闪光灯模块250的光可以被主要发送到背景。在一些实施例中，在前景是暗的情况下，来自闪光灯模块250的光可以照射前景，以恰好足以生成良好的图片，并且来自光模块的光的其余部分被发送到背景。
在实施例中，在第二组光照模式中，可以照射选择的对象。特别地，在一些实施例中，结合面部识别，面部(或其他对象)可以被加权最高以获得最优光照。在一些实施例中，结合面部识别，面部(或其他对象)周围的背景可以接收较少的光，例如以增加照射的面部或其他对象与最接近面部或其他对象的背景之间的对比度。在一些实施例中，所选择的区域可以包括放大图像或以其他方式标识的场景445的部分。在一些实施例中，对于例如商务名片的图片，来自闪光灯模块250的光可以以非常高的均匀性轮廓发射。
虽然上面关于LED闪光灯描述了具体实施例，但是如上面的实施例中的任一个实施例中的那样，具有完全转换波长转换层的一个或多个分割LED可以用于其他类型的普通照明中，诸如用于摄像机的手电筒、工作室照明、剧院/舞台照明或建筑照明。另外，虽然描述了具体的泵浦光源，但是任何合适的泵浦光(包括不可见的光学功率)可以用于分割LED。而且，虽然实施例解决了可见光照应用，但是其他情况(诸如包括波长转换步骤的IR辐射和IR光谱)也可以受益于明确定义的发射光谱而没有泵浦光泄漏。在这些不可见光学功率应用中，不是使用完全转换波长转换层转换光的色点，而是将光谱转换为目标光谱。另外，在仅描述可见光发射或转换的情况下，意图可以替代光学功率发射或转换。
已经详细地描述了实施例，本领域技术人员将认识到，在给出本说明书的情况下，可以在不脱离本发明构思的精神的情况下对本文描述的实施例进行修改。因此，并不意图本发明的范围受限于所图示和所描述的具体实施例。另外，本文描述的方法可以以并入在由计算机或处理器执行的计算机可读介质中的计算机程序、软件或固件实现。计算机可读介质的示例包括电子信号(通过有线或无线连接传送)和计算机可读存储介质。计算机可读存储介质的示例包括但不限于只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移除盘的磁性介质、磁光介质和光学介质(诸如CD-ROM盘和数字通用盘(DVD))。

Claims (23)

1.一种电子设备，包括：
至少一个处理器；和
光照模块，其包括由所述至少一个处理器控制的至少一个分割发光二极管(LED)，所述至少一个分割LED中的每一个包括由多个不发光区域分隔的多个发光区段，每个发光区段包括被配置成发射辐射的半导体结构，所述至少一个分割LED中的一个或多个包括波长转换层，所述波长转换层具有包含磷光体的粘合剂材料，所述磷光体的密度将未被转换的、穿过所述波长转换层的光学功率与由发光器件发射的光学功率的能量比限制为10％或更小。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述光照模块包含在相机模块内，所述相机模块包含图像传感器单元，所述图像传感器单元被配置为捕获由所述光照模块照射的场景的图像。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述光照模块还包含透镜，所述图像传感器单元用于经由所述透镜捕获所述场景的图像。
4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个分割LED包括冷白光分割LED和暖白光分割LED。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述冷白光分割LED的波长转换层被配置为发射具有青白色的光。
6.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述冷白光分割LED是直接蓝色发射LED或直接青色发射LED中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述暖白光分割LED的波长转换层被配置为发射具有暖白-橙色范围内的色点的光。
8.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个分割LED包括具有被调节为发射红光的波长转换层的红色分割LED和具有被调节为发射青光的波长转换层的青色分割LED。
9.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个分割LED包括具有被调节成发射红光的波长转换层的红色分割LED、具有被调节成发射绿光的波长转换层的绿色分割LED、以及被配置成发射选自蓝光和蓝色范围内的冷白光的至少一种颜色的光的蓝色分割LED。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述蓝色分割LED的波长转换层被调节为发射蓝光。
11.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述蓝色分割LED被调节为在没有波长转换层的情况下发射蓝光。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述蓝色分割LED包括光散射层，用于漫射所述蓝光，使得来自所有蓝色分割LED、红色分割LED和绿色分割LED的亮度分布和辐射图案彼此相似。
13.根据权利要求1所述的电子设备，其中从所述至少一个分割LED输出的光和光学功率中的至少一个将在离所述至少一个分割LED预定距离处混合，使得从包括色点、光谱、和所述光照模块的光学功率输出的类型中选择的至少一个输出类型被调节为匹配环境照明。
14.根据权利要求1所述的电子设备，其中从所述至少一个分割LED输出的光和光学功率中的至少一个将使用菲涅耳透镜投射到场景上，以突出所述场景的不同区域，或者改变照射所述场景的不同区域的光和光学功率输出中的至少一个的色点或光谱。
15.根据权利要求1所述的电子设备，其中每个波长转换层包括分隔，所述分隔不完全切穿所述波长转换层并且与所述不发光区域垂直对准，使得所述分隔设置在所述区段之间。
16.根据权利要求1所述的电子设备，其中每个散射层包括设置在光学透明材料中的关闭状态白色材料的颗粒，以提供对由多个区段发射的光的散射，并且当所述多个区段未被激活时为所述多个区段提供白色外观。
17.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述分隔形成在散射层的表面中，所述表面与所述散射层的面向所述波长转换层的表面相反。
18.根据权利要求1所述的电子设备，还包括设置在所述波长转换层之上的光散射层，所述散射层包括不完全切穿所述散射层并且与所述不发光区域对准的分隔，使得所述分隔设置在所述区段之间。
19.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述波长转换层包括不同的磷光体，考虑到将离开所述波长转换层的辐射量，所述不同的磷光体一起被配置为产生转换光的期望色点和目标光谱中的至少一个。
20.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电子设备是智能手机。
21.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电子设备是用于视频中使用的照明、演播室照明、剧院/舞台照明、和建筑照明中的至少一种的照明设备。
22.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述电子设备是用于红外(IR)辐射和IR光谱中的至少一种的IR光源。
23.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个处理器被配置为控制至少一个驱动器向所述区段中的各个区段提供驱动器电流，使得所述区段是可单独寻址的。
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