CN101743646B - 利用薄外形侧面发射led的薄闪光灯或视频记录灯 - Google Patents

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Abstract

描述了用于照相机的非常薄的闪光灯模块，其对于被照明对象不呈现为点光源。因此，闪光灯对于对象而言是适合的。在一个实施例中，发光表面区域约5mm×10mm。光学耦合到固体光导的薄外形侧面发射LED使得闪光灯模块能够比2mm薄。闪光灯模块也可以连续通电用于视频记录。模块对于移动电话照相机和其它薄的照相机是特别有用的。

Description

利用薄外形侧面发射LED的薄闪光灯或视频记录灯
技术领域
本发明涉及用于照相机的固态闪光灯或用于摄像机的照明灯，特别地，本发明涉及用于小照相机的非常薄的闪光灯和照明灯。
背景技术
在包含照相机的移动电话中的闪光灯模块现在是很普遍的。这样的闪光灯模块必须薄，因为移动电话所希望的特征是它们的小尺寸。许多类型的移动电话照相机也拍摄数字电影，其可能要求照明器在视频被记录的同时持续打开。用于闪光灯和视频照明的照明器为了简单起见称为闪光灯。当在本文中使用时，术语照相机指的是静止图像照相机和/或视频记录器。
为了提高可靠性、减小成本和减小尺寸，已知用发射白光的高功率发光二极管(LED)替换常规的非固态闪光灯灯泡。
灯泡(例如氙)相对较大并且使用弯曲的反射镜以将光向对象引导。这导致相对较深的灯泡模块，其在希望非常薄时是不适合的。这种模块也相对昂贵并需要特殊的高压发生器，其很大。灯泡中产生的电弧是强烈的光点，其将所有的光输出功率基本上集中在点光源。
用作闪光灯的LED一般也安装在反射镜碗中。这些LED输出朗伯(Lambertian)模式的光，弯曲的反射镜朝对象重引导光。即使LED管芯非常薄，所述管芯一般也安装在子支架(submount)上并被封装。封装包含反射器和透镜，总封装一般具有大约5mm的厚度。封装安装在印刷电路板上，其对模块添加了进一步的厚度。LED闪光灯基本上是点光源，因为LED管芯约1×1mm。
由灯泡或LED发射的强烈光点对于正在被拍摄的对象是不适合的。如果光由与点光源分离的漫射透镜漫射，那么总的灯模块的厚度将大大地增加，并且点光源所需的过度的漫射将固有地导致大部分的点光源光输出由漫射器吸收或朝向光源反射回去。
所需要的是用于照相机，特别是移动电话照相机的非常薄的照明器，其中照明器光输出在相对较大的区域上分布。
发明内容
本文描述了多种侧面发射LED设计，其产生用于照相机的非常薄的闪光灯。在LED管芯上方的小反射器引起光在通常平行于闪光灯模块的光输出表面的相对窄的角度内被有效发射。没有透镜用于产生侧面发射。LED具有薄外形(low profile)，允许整个闪光灯模块小于1mm。
一个或多个侧面发射LED定位在除了顶部开口以外，具有反射壁的薄光导内。光导的底部具有向上反射光的特征。发射通过光导的顶部开口的光充分漫射，从而光源在对象看来在相对较大的(例如0.5-2cm2或更大)表面区域上散播开。由于从管芯发射的LED光并不由对象直接看见，因此不存在由对象看见的光的强烈点光源。
对于进一步的漫射，薄的漫射器层可以定位在光导上方。为了增加沿对象方向的亮度，可以使用亮度增强层。
在一个实施例中，用于闪光灯模块的LED管芯发射蓝光，一种或多种类型的磷光体定位在LED上方以发射具有红、绿和/或黄色成分的光，使得得到的发射组合导致具有任何希望的色温的白光。
附图说明
图1是根据本发明实施例的用于闪光灯模块的薄外形侧面发射LED的截面图。
图2是根据本发明实施例的通过LED切割的闪光灯模块的截面图。
图3是图2的模块的自顶向下的视图。
图4说明了包含任何本文所述的闪光灯模块的移动电话照相机。
图5是其中将LED倒置安装到光导的腔中以减小模块厚度的闪光灯模块的截面图。
图6是图5模块的局部的自顶向下的透视图。
图7、图8和图9是闪光灯模块的附加实施例的相关局部截面图。
具体实施方式
在各附图中类似或相同的元件用相同的数字标记。
本发明的实施例包括包含闪光灯模块，闪光灯模块包括薄外形侧面发射LED和薄的光导设计，用于提供相对较大的发光表面。闪光灯比点光源闪光灯更适合，但是提供等效的光输出功率，并且闪光灯模块比现有技术闪光灯模块更薄。
图1是薄的侧面发射LED 10的一个实施例的截面图。可以用于闪光灯模块实施例的薄的侧面发射LED的其它实施例可以在序列号为11/423,419的美国申请中找到，该申请由Oleg Shchekin等人于2006年6月9日提交，名称为Low Profile Side Emitting LED，转让给了本受让人，通过引用在此引入该美国申请的内容。
在一个例子中，LED 10的有源层产生蓝光。LED 10形成在开始生长基底(例如蓝宝石、SiC或GaN)上。通常，n层12生长，其后为有源层14，其后为p层16。p层16被刻蚀以暴露一部分在下面的n层14。反射金属电极18(例如银、铝或合金)然后形成在LED的表面上以接触n和p层。当二极管正向偏压时，有源层14发射光，其波长由有源层的成分(例如AlInGaN)确定。形成这样的LED是众所周知的并且不需要更详细地描述。形成LED的另外的细节在Steigerwald等人的美国专利No.6,828,596以及Bhat等人的美国专利No.6,876,008中描述，这两篇专利都转让给了本受让人，并且通过引用在此引入这两篇专利的内容。
半导体LED然后作为倒装芯片安装在子支架22上。倒装芯片是在芯片“底部”表面上的所有电终端用于直接键合到子支架或其它安装结构上的芯片。子支架22包含金属电极24，其经由焊球26焊接或超声焊接到LED上的金属18上。其它类型的键合也可以使用。如果电极本身可以超声焊接在一起，那么焊球26可以省略。
子支架电极24通过通孔电连接到子支架底部上的焊点(pads)，因此子支架可以表面安装到印刷电路板(PCB)28上的金属焊点。电路板28上的金属迹线将焊点电耦合到电源。子支架22可以由任何适当的材料形成，所述材料例如陶瓷、硅、铝等。如果子支架材料是导电的，那么在基底材料上方形成绝缘层，并且在绝缘层上方形成金属电极图案。子支架22作为机械支撑，提供LED芯片上精密的n和p电极与电源之间的电接口，并提供散热。子支架是众所周知的。
为了使LED 10具有非常薄的外形，以及防止光由生长基底吸收，例如通过CMP或利用激光剥离方法将生长基底去除，在激光剥离方法中，激光加热GaN和生长基底的界面以产生高压气体，该高压气体推动基底远离GaN。在一个实施例中，生长基底的去除在LED阵列安装在子支架晶片之后以及在LED/子支架单数化(singulated)(例如通过锯开)之前进行。
在生长基底被去除后，将平坦的磷光体层30定位在LED顶部上方，用于对从有源层14发射的蓝光进行波长转换。磷光体层30可以预先形成为陶瓷片并附着到LED层，或磷光体粒子可以例如通过电泳被薄膜沉积。磷光体陶瓷片可以是烧结的磷光体粒子或在透明或半透明粘合剂中的磷光体粒子，该粘合剂可以是无机或有机的。在与蓝光混合时，由磷光体层30发射的光产生白光或另一种希望的颜色。磷光体可以是YAG磷光体，其产生黄光(Y+B＝白色)，或可以是红色和绿色磷光体(R+G+B＝白色)。
利用YAG磷光体(即Ce:YAG)，白光的色温很大程度上取决于磷光体中掺杂的Ce以及磷光体层30的厚度。
反射膜32然后形成在磷光体层30上方。反射膜32可以是镜面的或者漫射的。镜面反射器可以是由有机或无机层形成的分布式布拉格反射器(DBR)。镜面反射器也可以是铝或其它反射金属层，或DBR和金属的组合。漫射反射器可以由沉积在粗糙表面上的金属或漫射材料(例如适当的白色涂料)形成。磷光体层30也帮助漫射光以提高光提取效率。
尽管侧面发射透镜有时用于将LED的顶面发射的所有光转换为圆形侧面发射图案，但是这样的透镜是LED本身厚度的许多倍，不适合超薄闪光灯。
LED半导体层的处理可以在LED安装在子支架22上之前或之后进行。
事实上，由有源层14发射的所有光通过LED的侧面直接发射，或者在一次或多次内部反射后通过侧面发射。
在一个实施例中，子支架22具有约380微米的厚度，半导体层具有约5微米的组合厚度，磷光体层30具有约200微米的厚度，反射膜32具有约150微米的厚度，因此LED加上子支架小于1mm厚。当然，LED 10可以制造得更厚。LED每侧的长度一般小于1mm。
如果LED不需要超薄，那么侧面发射的效率可以通过下述方式而增加：在n层12上方添加透明的波导层，在磷光体层上方添加包含反射粒子或粗糙的/棱镜表面的散射层，和在磷光体层30下方添加二向色镜或单向镜，使得通过反射膜32向下反射的光不被半导体层吸收。
图2是包含三个LED 10的闪光灯模块34的截面图，图3是具有暴露的LED 10的模块34的自顶向下的视图。在图3的自顶向下的视图中，如果使用了漫射器片，则一般不会很好地示出LED 10的轮廓。
LED 10安装在薄的PCB 28上。PCB 28可以提供模块34的底座，或者可以存在单独的用于模块34的支撑结构，例如反射盒。子支架电极24(图1)超声键合到PCB 28上的常规金属迹线，并终止于模块34边缘处的连接焊点35。可以使用任何类型的连接器，例如销、焊接焊点、插头等，连接器可以处于任何位置。PCB 28上的金属迹线以任何适当的方式(例如串联和/或并联)使LED 10互相连接。电流源(未示出)电耦合到焊点35，并且可以是模块34的一部分。
固体透明光导36具有腔37，LED 10通过这些腔***固体透明光导36。光导36可以是塑料(例如PMMA)。由于LED 10的侧面发光部分可以是约0.25-0.5mm厚，因此光导36的厚度可以是约0.3-0.5mm厚。模制到光导36的底部中的是小刻痕(indentation)38，例如棱镜，其向上反射光。刻痕可以周期性布置或分布以最大化通过光导36的顶面发射的光的均匀性。作为替换，刻痕可以通过蚀刻或喷砂处理形成以产生粗糙化的底表面。
光导36具有反射壁40和反射底表面42。光导36表面上的反射膜可以用作反射器，或反射器可以是单独的部件，其形成其中定位光导36的盒。反射膜可以是可从3M公司得到的增强镜面反射器(ESR)膜。由LED 10产生的侧光在光导36内反射并通过刻痕38漏出，以产生横跨光导36的顶面的基本上均匀的亮度图案。
在光导36的顶部上放置光学漫射器片44，其帮助使LED 10上方的小黑点中充满光并漫射刻痕38上方的任何亮点。漫射器片44可以是约0.1mm厚。
亮度增强膜(BEF)46和48定位在漫射器片44上方以通常垂直于表面地重引导光。BEF用于通过选定角度重引导光是众所周知的。一种类型的BEF具有棱镜表面特征，其向对象折射光。BEF 46可以限制水平发射角，而BEF 48可以限制垂直发射角。每个BEF 46和48可以是约0.062mm厚。
在一个实施例中，模块34的总厚度是0.62mm。一般的总厚度的范围可以在0.3mm和2mm之间。闪光灯模块34的发光表面区域事实上可以是任何实际的尺寸，例如0.5-2cm2或更大。
在另一实施例中，光导成形为楔形，其中光由于成角度的底面而固有地向上反射。不再需要光散射刻痕来重引导光。
图4是可以拍摄视频或静止图像的移动电话照相机50的简化视图。照相机50表示任何类型的照相机(数字或胶片)，无论是拍摄静止图像还是视频。移动电话照相机50具有常规的小键盘52、显示器54和照相机透镜55。除了闪光灯模块34以外，照相机50的所有方面都可以是常规的。闪光灯模块34优选地为至少5mm宽以在比点源大得多的区域上散布亮度。在一个实施例中，模块34的发光表面大于5×10mm。在另一实施例中，仅使用一个LED，模块34是5×5mm。模块34的厚度不随着其发光表面区域而改变。
图5是闪光灯模块60的另一实施例的截面，图6是示出了LED管芯位置的图5的模块60的透视的自顶向下视图。
例如由聚合物或玻璃形成的固体透明光导62具有形成在其中的腔64，其中该腔具有侧面发射LED 66(类似于图1的LED 10)的近似尺寸。多个LED可以***在附加腔中以用于增加的光输出。侧面发射LED66以围绕LED管芯360度的低角度发射其大部分光。从而，来自LED 66的大部分光直接透射进入到光导62中。反射器(未示出)可以定位在光导62的侧壁周围以防止光从侧壁逸出。
底部反射器68在光导62中向上反射光。底部反射器68在LED 66下方延伸，从而附接到LED 66表面的单独的反射器是任选的。光导62可以具有小平面、粗糙表面或其它变形(deformity)以允许光从光导62的顶表面漏出。光导62甚至可以是楔形。将光均匀漏出光导的许多技术是众所周知的。
可以是半透明膜的漫射器片70漫射来自光导62的光以增加横跨表面的光的均匀性。至少一个亮度增强膜(BEF)72将光重引导为更窄角度以增加该角度内的亮度。
LED 66安装在子支架74上。子支架74可以由陶瓷、硅、绝缘金属板或其它适当材料形成。LED 66上的金属焊点键合到子支架74上的相应焊点(示出了焊球76)。LED 66优选地是倒装芯片以最小化厚度。
子支架74具有连接到LED驱动器80的终端78，该驱动器为LED 66提供电流脉冲，用于拍摄静止图像的闪光灯，或提供连续电流以拍摄视频。照相机中的常规控制电路81确定操作是闪光灯还是连续照明。对于闪光灯，LED驱动器80包括升压稳压器，其给电容器充电，然后作为高功率脉冲将电容器能量放电到LED中。优选地，闪光灯模块的光输出至少是10-15勒克斯·秒，其中超过100勒克斯由模块发射大约0.1秒。照相机快门对于单个景象打开时的总光能量是闪光灯的相关品质因数。闪光灯LED驱动器是市场上可买到的，例如可从Micrel公司获得，其可以为LED提供1安培。
用于视频的连续光输出要求非常鲁棒(robust)的电源，因为高功率LED要求大于0.5安培从而以好的视频质量来照明对象。
除了子支架74充当驱动器80和LED 66之间的电接口以外，子支架74还充当散热器以去除来自LED 66的热量。子支架74的表面可以是反射的以向光导62向后反射LED光。
子支架74和LED驱动器80之间的电连接可以通过所谓的弯曲箔互连容易地实现，所述弯曲箔互连例如Gould Electronics制造的JTCFlexTM。在子支架太小以致于不能附接到弯曲箔的情况下，可以使用丝焊以实现与弯曲箔的电连接，弯曲箔被夹紧到子支架的侧面，或者子支架可以放置(粘结)在弯曲箔的孔中，或者LED 66可以直接附接到薄弯曲箔的顶部。电连接器(例如弯曲箔)可以附加地用作散热器以去除来自LED管芯的热量。
金属支撑体82连接到光导62和子支架74以将子支架74固定在适当位置并充当附加的散热器。子支架74可以粘附固定到适当位置或通过其它适当的装置(例如通过导热带)进行固定。在另一实施例中，子支架74直接固定到光导62，而没有任何支撑部件。
金属支撑体82可以是引线框，其中金属支撑体被划分为至少两个部分，每个部分都为电连接以提供阳极和阴极电压给LED管芯，以及提供机械支撑和散热。具有通孔的子支架用于将子支架电极直接键合到引线框，或子支架通过丝焊连接到引线框。
由于LED 66和子支架74不需要任何用于机械支撑、散热和电接口的印刷电路板(PCB)，因此模块60可以比图2的模块34薄很多。
具有子支架的多个LED可以用于将附加的光功率沿光导62的一侧或多侧，或在光导62的角落处，或通过光导62的中心线，或以任何其它配置耦合到光导62中。LED利用蓝色LED管芯和贡献红、绿和/或黄色成分的磷光体来发射白光。
各个层的厚度可以与上面参考图2所述的相同，其中整个模块的最终厚度小于2mm。模块60可以代替模块34用于图4的照相机50中。表面区域尺寸可以与对于模块34所述的相同。驱动器80可以与任一模块一起使用。
图7-9是在光导84的腔内的LED的局部放大图(close-up view)。光导84可以与光导36(图2)或62(图5)相同。在图7-9中，由于LED横向间隔远离光导84的发光表面部分，因此通过光导84更均匀地发射光。
在图7中，使用来自图1的LED 10，其具有形成在其表面上的反射膜32。LED管芯安装在子支架22上。反射表面88、92和93防止光从除了通过光导84的顶表面以外的其它地方逸出。层96可以是与图2和图5所示的相同的漫射器层和BEF。可以存在遍及光导84分布的多个侧面发射LED，用于增加光输出功率。所得到的闪光灯模块可以具有与用于照相机50(图4)的图2的模块34相同的厚度和表面尺寸。
图8类似于图7，除了LED 98不具有形成在其上的反射膜以外。反射器92用于仅产生进入光导84的侧面发射并防止被拍摄的对象看见点光源。
图9类似于图8，除了LED 98邻接反射器92以产生更薄的闪光灯模块以外。
各实施例的特征可以根据需要进行组合以产生具有相对较大发光表面区域的非常薄的照相机照明器。
上面已经详细描述了本发明，所属领域技术人员应当理解的是，已知本发明所公开内容的情况下，可以对本发明做出若干修改，而不偏离本文所述的精神和创造性构思。因此，本发明的范围并不预期限于所说明和描述的特定实施例。

Claims (16)

1.一种照相机中用于照明对象的照明器，包括：
侧面发射、非产生激光的发光二极管(10)，该发光二极管包括：
第一类型的第一半导体层(16)；
第二类型的第二半导体层(12)；
和在第一半导体层和第二半导体层之间的有源层(14)，该有源层具有主表面；
与第一半导体层接触的第一电极(18)；
与第二半导体层接触的第二电极(18)，第一电极和第二电极位于发光二极管的第一侧上使得发光二极管是倒装芯片，其上生长了第一半导体层、第二半导体层和有源层的透明生长基底已经从与发光二极管第一侧相对的发光二极管的第二侧上方去除；
形成在发光二极管第二侧上的均匀反射膜(32)，在发光二极管和反射膜之间没有空气间隙，反射膜的区域由发光二极管第二侧的区域进行限制，反射膜形成反射器，基本上平行于有源层的主表面，以便基本上所有入射到反射器上的光向后重引导到发光二极管中，发光二极管基本上仅从其侧面发射光而不使用侧面发射透镜；
具有顶表面并具有反射的底表面的光导(36)，光通过该顶表面发射，光导具有至少一个开口，在其中定位侧面发射发光二极管，借此从发光二极管侧面发射的光光学耦合到光导中；和
电连接到发光二极管的第一电极和第二电极的驱动器(80)，用于给发光二极管供电以照明对象，以便通过照相机记录对象的图像；
发光二极管和驱动器安装在照相机(50)外壳内。
2.根据权利要求1的照明器，其中照相机(50)是静止图像照相机，驱动器(80)被配置为控制发光二极管(10)以输出拍摄对象的静止图像的闪光。
3.根据权利要求1的照明器，其中照相机(50)是摄像机，驱动器(80)被配置为控制发光二极管(10)以连续输出拍摄对象的视频记录的光。
4.根据权利要求1的照明器，其中有源层(14)和反射器(32)的底表面定位成与光导(36)的顶表面平面和底表面平面一样齐或位于它们之间。
5.根据权利要求1的照明器，其中光导(36)具有小于2mm的厚度。
6.根据权利要求1的照明器，其中发光二极管(10)具有小于2mm的厚度。
7.根据权利要求1的照明器，其中发光二极管(10)进一步包括在反射器(32)和第二半导体层(12)之间的磷光体层(30)。
8.根据权利要求7的照明器，其中包括磷光体层(30)的发光二极管(10)发射白光。
9.根据权利要求1的照明器，其中发光二极管(10)的发光侧具有小于0.4mm的高度。
10.根据权利要求1的照明器，其中有源层(14)发射蓝光。
11.根据权利要求1的照明器，其中光导(36)的底表面向顶表面散射光。
12.根据权利要求1的照明器，其中光导(36)的顶表面具有大于25平方毫米的发光表面区域。
13.根据权利要求1的照明器，其中光导(36)的顶表面具有大于50平方毫米的发光表面区域。
14.根据权利要求1的照明器，其中照明器是闪光灯模块。
15.根据权利要求1的照明器，进一步包括在光导的各个开口中的多个侧面发射发光二极管(10)。
16.根据权利要求1的照明器，其中照相机(50)是移动电话照相机。
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