CN106662794B - Led照明单元 - Google Patents

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Abstract

LED照明单元包括支撑结构（14）、安装在支撑结构内的基于LED的发光结构（10）以及在支撑结构顶部之上的光学射束成形布置（50,52）。光学射束成形布置包括光学透明且热学稳定的材料，并且支撑结构在基于LED的发光结构上方的小高度处支撑微结构化层。该高度可以例如小于0.5mm。光学射束成形布置使得能够通过回流焊接将紧凑且低高度的照明单元安装在载体上而不损坏光学射束成形组件。

Description

LED照明单元
技术领域
本发明涉及LED照明单元，例如用于使用在相机或视频闪光灯应用中，诸如用于移动电话或者诸如平板电脑和膝上型计算机之类的其它便携式移动设备的闪光灯单元。
背景技术
存在使LED照明单元小型化的趋势。紧凑的LED照明单元可以例如被视为具有小于3mm的封装高度以及具有小于100mm2的面积的输出孔径的照明单元。这种类型的紧凑的照明单元可以集成到诸如移动电话之类的便携式设备中。
诸如闪光灯LED封装之类的紧凑的LED照明单元典型地包括高功率LED以生成通常在大约5000-6500K的色温处的白光，其通过与LED封装直接集成或者与用于透镜和LED封装的分离外壳集成而与菲涅尔光学透镜组合。
这些封装典型地使用覆盖有磷光体层的高功率蓝色LED，所述磷光体层将部分的辐射转换到绿色-红色频谱范围中以导致白色色点。蓝色LED典型地具有1mm2的大小并且安装在陶瓷支撑衬底上。LED衬底的总体外部尺寸例如典型地为1.6x2.0mm。一些封装由于磷光体层而看起来非常黄；通过在LED磷光体顶部上和周围模制白色散射材料而使其它封装看起来白得多。消费者往往不喜欢在通过菲涅尔透镜放大时的黄色外观，并且因而有时候偏爱显现关断状态白色（OSW）的封装，即便效能通过额外的白色散射层而降低。
这种类型的闪光灯LED例如作为闪光灯单元而应用在移动电话应用中。为了在由相机捕获的4:3或16:9场景上聚集光，最初具有强度的朗伯型角分布的闪光灯LED的光通过菲涅尔透镜准直。这可以通过将LED封装和分离的菲涅尔透镜夹紧成封装组装件而实现，例如具有大约3mm的典型高度。如上文所提及的，菲涅尔透镜可以替代地与LED封装组合到薄PCB上而作为一个集成的、更为紧凑的单元。
图1示出具有顶表面上的菲涅尔透镜光学结构的LED照明单元1。将透镜模制在薄PCB上的LED封装周围并且这可以例如实现2.2mm的降低的构建高度。
菲涅尔透镜的一个示例包括以刻面形式的光学元件，其在透镜的中心折射光，并且在透镜的周界处向上反射光以便准直由LED发射的光。全折射透镜也是可能的。
菲涅尔透镜需要位于距LED的某个最小距离处以便作为透镜恰当地工作，并且需要LED的位置向菲涅尔透镜的光学中心的仔细对准。
具有菲涅尔透镜的闪光灯LED的构建高度对移动电话制造商非常重要，因为有辨识力的趋势是使移动电话越来越薄并且使用越来越少的空间以用于电话内部的组件，尤其是在深度方向上。电话中的组件的构建高度中的突破因此非常重要。
除物理尺寸限制之外，存在针对由闪光灯LED封装发射的射束轮廓的具体要求。这些要求涉及由相机捕获的场景的光照并且可以例如通过在场景上投射光来测量。
使用已知菲涅尔透镜设计的闪光灯单元具有若干限制。存在如上文指示的LED源和菲涅尔透镜之间所要求的基本距离。为了使封装更薄，透镜和LED封装的横向尺寸需要按比例缩小。这意味着更小的LED，其给出对可以生成的光的量的限制。例如，对于1x1mm2的典型LED管芯，具有菲涅尔透镜的构建高度限于大约2mm。
关于这样小的构建高度的问题在于，光学组件（菲涅尔透镜或其它准直光学设备）非常接近于其中单元安装在底层电路板上的位置。如果使用回流焊接在电路板上安装LED单元，则光学组件暴露于高温，其可能不是光学组件设计所容易容许的。
发明内容
本发明由权利要求限定。
根据本发明，提供了一种LED照明单元，包括：
支撑结构；
安装在支撑结构内的基于LED的发光结构；以及
在支撑结构的顶部之上的光学射束成形布置，
其中光学射束成形布置包括微结构化层，其包括光学透明且热学稳定的材料，并且其中支撑结构在基于LED的发光结构的上方、小于基于LED的发光结构的发光面积的平方根的高度处支撑射束成形布置的微结构化层，
并且其中微结构化层包括微型元件的至少一个阵列，每一个微型元件具有在顶部顶点处相遇的一个或多个侧面，其中一个或多个侧面从其基底向顶部顶点是笔直的。
该设计优选地能够承受在回流焊接期间所遭遇的短持续时间高温，使得甚至在小单元高度的情况下，其也可以例如焊接到底层印刷电路板。在该回流焊接期间，微结构化层应当在没有皱褶或***并且此外没有泛黄的情况下保持尺寸稳定（没有大小损失）。这对于诸如聚碳酸酯基底层上的丙烯酸树脂之类的一些常规材料也许是不可能的。
术语“微结构化”用于指代具有mm尺度或者更小的各个结构尺寸的小成形元件。
射束成形布置可以充当透射和准直部分入射光的微准直结构。脊部设计使得高度能够降低而同时保留光学准直功能。脊部充当光回收元件。
该设计使得能够使用LED发射器的更大输出面积（对于给定总体横向尺寸而言），其因而能够产生更多的光。可替换地，对于给定大小的光学输出，总体设备可以在横向尺寸方面制作得更小而同时实现相同的光学输出。
微型元件可以是在给出一维重复的线上延伸的脊部（或谷部），或者它们可以是形成二维重复的角锥体。它们还可以是从基底延伸到顶部顶点的圆锥体（因而仅具有单个侧面）。在所有情况下，一个或多个侧面从基底向顶点笔直延伸，其中没有弯曲的透镜状表面。因而，在通过与经过顶点的层垂直的平面的截面中，侧面是笔直的。然而，微结构沿其延伸的线（即，在层的平面中）可以是笔直或弯曲的。
高度限制是在基于LED的发光结构的表面上方的高度。在直射发射LED的情况下，该表面是LED管芯的表面。如果使用白色磷光体转换的LED，则高度限制是在磷光体的上表面上方的高度。对于预图案化的蓝宝石衬底LED，高度被视为在外延层上方。将高度取到射束成形布置的微结构化层的底部。
术语LED意图一般是指固态发射器，即包括无机LED、有机LED或激光二极管的发光二极管。
作为示例，如果发光面积为1mm2，微结构化层的高度则小于基于LED的发光结构之上1mm。
一般地，高度可以小于0.5mm以使得能够实现极其紧凑的设备。
支撑结构可以包括在基于LED的发光结构和光学射束成形布置之间延伸的反射侧壁。照明单元然后起作用以回收尚未被透射通过光学射束成形布置的LED光的部分以便获得期望的射束轮廓。
微结构化层可以包括硅酮或混合硅酮或硅酸盐（特别地，T分枝或Q分枝材料，而不是离子结构）或混合硅酸盐或溶胶-凝胶材料。术语“T分枝”在本申请中意指存在附连到三个（聚）硅氧烷链的至少一个硅原子。优选地，该硅原子化学键合到每一个（聚）硅氧烷链的氧。术语“Q分枝”在本申请中意指存在附连到四个（聚）硅氧烷链的至少一个硅原子。优选地，该硅原子化学键合到每一个（聚）硅氧烷链的氧。这些T分枝和Q分枝结构本身是已知的，例如如在EP2599835中所公开的。
T分枝硅酸盐可以被称为倍半硅氧烷。这使得能够使用低成本工艺进行制造并且其使得能够实现高热学和光学稳定性。可以替代地使用其它材料，诸如玻璃（例如通过注塑成型）或者图案化的蓝宝石板。
光学射束成形布置可以可选地包括基底层以及在基底层之上的微结构化层。基底层提供结构刚性，如果微结构化层单独地不具有所要求的刚性的话。
粘合促进层可以提供在基底层与微结构化层之间。粘合促进层可以包括包含硅烷、钛酸盐或锆酸盐的材料。这些材料可以以纯净形式或者混合到诸如硅酮之类的另一个稳定的材料中。
微结构化层可以与第一折射率的第一材料接触或者通过中间键合层键合到第一折射率的第一材料，其中微结构化层的材料具有比第一折射率大0.3和0.65之间的折射率。这提供用于使射束成形布置在折射或反射模式中操作以便提供射束成形性质所必要的折射率差异。微结构化层可以替代地使用部分键合层而键合到基于LED的发光结构，部分键合层具有键合部分以及第一折射率的第一材料的部分。
第一材料可以包括具有1.0的折射率的空气，或者具有1.3以下的折射率的低折射率层，或者具有在1.3和1.6之间的折射率的胶合剂或平面化层。胶合剂可以用于将多个基底层和微结构化层对键合在一起并且平面化层可以用于保护该结构。
在另一个布置中，微结构化层键合到基于LED的发光布置。
该键合可以是到基于LED的发光布置的磷光体层。这使得能够实现最小高度的封装。LED本身典型地是硬的且非粘性的，但是磷光体层本身可以充当键合层。因而，当不存在分离的键合层时，最薄的封装是可能的。该直接接触将限制射束成形功能，但是将有助于提取更多的光。当微结构化层的折射率高于键合材料的折射率时，射束成形功能将通过增加该折射率差异而变得更强。
基于LED的发光结构可以包括：
LED和直接在LED之上的磷光体；或者
LED和填充支撑结构的磷光体；或者
LED和在第一微结构化层下面且与LED间隔的磷光体层。
在这些示例中的一些中，磷光体层因而可以在面积方面大于LED的光输出面积，从而向上方的一个或多个光学层提供更加均匀的光照。
单元可以包括堆叠中的多个射束成形布置，并且包括射束成形布置之间的空气间隙或者射束成形布置之间的粘合剂。
单元可以包括相机闪光灯单元，并且本发明还提供一种包括相机光学传感器和本发明的闪光灯单元的移动便携式设备。
附图说明
现在将参照随附各图详细地描述本发明的示例，其中：
图1示出具有封装的上表面上的集成菲涅尔透镜的已知LED闪光灯；
图2示出利用高功率陶瓷上管芯（“DoC”）LED封装的LED闪光灯的各种示例；
图3示出使用陶瓷上管芯封装的LED闪光灯和使用所谓的基于PSS（预图案化的蓝宝石衬底）的技术封装的其它更小封装的一些另外的示例；
图4示出一个微结构化层的可能结构；
图5示出具有更清楚地示出的射束成形准直器设计的一个示例的LED闪光灯结构；
图6示出给出在来自点光源的光线方向上的一个微结构化层的效果的模拟；
图7示出具有非常低的构建高度的LED闪光灯组件的各种示例，所述构建高度在PSS发射器上的各种封装构造中实现；
图8示出一个封装中的多LED发射器闪光灯组件的示例；
图9示出可以实现的一些光学射束成形功能；
图10示出用于射束成形布置的微结构化层的两个可能的取向；
图11示出用于射束成形布置的微结构化层的两个另外的可能设计；
图12示出用于射束成形布置的微结构化层的两个另外的可能设计；
图13示出回流焊接烘箱温度轮廓的示例；
图14示出使用LED单元作为闪光灯的相机的示例；
图15以透视图示出光学层的两个不同的设计；以及
图16示出光学层如何执行光学回收功能。
具体实施方式
本发明提供了一种基于LED的照明单元，其包括支撑结构、基于LED的发光结构以及支撑结构的顶部之上的光学射束成形布置。光学射束成形布置包括热学稳定的微结构化层，并且射束成形布置（的底侧）处于基于LED的发光结构上方的小高度处。高度小于基于LED的发光结构（10）的发光面积的平方根。例如，对于1mm2的发光面积，高度小于1mm，例如小于0.5mm。
光学射束成形布置设计成使得能够通过回流焊接在载体上安装照明单元而不损坏光学器件。
在本发明的***中使用的光学射束成形布置执行射束成形功能。在光以受控出射角度范围出射的意义下，该功能可以例如至少近似于部分准直功能，以光照期望的视场。在以下示例中，为了便于解释，该光学功能将在下文中被称为“准直”，但是将理解到，这不应当被视为限制。例如，各种射束成形功能可以利用不同类型的箔结构实现，诸如对称或非对称棱形凹槽、面向源或者背离源的棱形/圆锥/角锥形结构。这些射束成形功能可以例如包括射束重定向或者蝙蝠翼式光照图案。
简单地作为示例，将参照如由申请人提出的一些LED单元设计来描述本发明。本发明具体地涉及执行射束处理功能的光学层的设计。所提供的示例包括两个这样的光学层，但是本发明可以等同地应用于仅要求一个光学层的结构。
图2示出各种示例，其利用具有“点击式”帽体的高功率陶瓷上管芯（“DoC”）LED封装10，所述帽体合并充当光学射束成形布置12的双层光学层。该双层结构功能提供射束成形功能，诸如准直功能。每一层包括以背离光源的细长平行脊部的规则阵列的形式的结构化层。LED 10安装在形成反射混合箱构造的外壳14的基底处。
外壳主要充当用于在LED 10之上安装光学射束成形组件的支撑结构，但是其可选地还有助于朝向射束成形组件引导由LED发射的光。出于该目的，外壳可以具有提供支撑物和基底的侧壁。基底然后可以用于支撑LED。然而，LED管芯本身可以限定基底，使得外壳然后仅包括侧壁布置。该侧壁是反射性的以用于LED光的高效递送。
LED例如是基于InGaN的蓝色二极管，其管芯附连到陶瓷基板16。LED可以是具有背侧处的电气接触件的倒装芯片管芯。存在典型地具有AlN或Al2O3的陶瓷基板16中的电气通孔，使得电气接触件还存在于陶瓷基板16的背侧处以使得整个组装件在背侧处可使用焊接垫进行焊接。
该焊接使结构暴露于高温。例如，回流温度处置可以导致许多材料的变形或收缩，诸如聚碳酸酯和PET。
可以使封装大小小于1.5mm，例如小于1.3mm，并且典型宽度在范围3到5mm中。
图2示出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源的蓝色辐射的部分转换到绿色/黄色频谱范围中，其与蓝色LED发射器组合地创建白光输出。
图2（a）示出接近磷光体18。这是在基于菲涅尔透镜的闪光灯封装中使用的常规磷光体技术。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）都具有最小的大小。这使得发射器成为小的准点源，放大的光学射束成形结构与其对准以准直所发射的光以用于闪光灯操作。
图2（b）示出相同的结构，但是在外壳中具有包塑件19而不是空气，并且其示出外壳未必是单件式结构。
图2（c）示出填充外壳的磷光体20（有时称为糊块）的使用。其作为粘性液体而分配并且固化成固态。磷光体仍旧覆盖LED芯片，但是横向地延伸并且典型地应用在较厚的层中。源面积得以增强，因为即便蓝色LED发射器是小的，磷光体层的发射也覆盖较大的面积。相比于仅覆盖LED管芯和/或LED管芯放置到其上的封装的常规接近磷光体而言，这可以是更为高效的磷光体***。
图2（d）示出邻域磷光体22。这原则上是最高效的磷光体配置，但是在这样的封装中不常见。磷光体没有直接地放置在蓝色LED之上，而是位于短距离处，典型地在封装的出射窗中。在这样的配置中，期望用于磷光体层的良好冷却路径，其可以受磷光体层和LED基底之间的材料的选择所影响。图2（e）示出玻璃或半透明氧化铝（多晶氧化铝，PCA）层24的添加。
在图2（a）到2（e）中的每一个中，总体设备是LED照明单元1。外壳14充当反射外壳，其具有反射基底15和开放顶部（图5中的参考标记51）。
两个结构化层具有面向上的脊部微结构。脊部是平行的并且因而形成棱形脊部/凹槽结构。其它可能的光学结构例如是角锥体、圆锥体、球形透镜或柱体透镜。
层具有典型地在30到150微米范围中的厚度（包括基底衬底和脊部高度）。每一个脊部具有在10到50微米范围中的典型宽度。
LED封装优选地为高度反射性的（例如＞95%），因为微结构化层反射回要回收的入射光的显著部分。
在LED封装和射束成形结构之间，并且还在各个微结构化层之间（如果使用多个层的话）提供低折射率层。典型地，低折射率层是空气界面。组件之间的（多个）中间层的该折射率相对于LED封装的折射率和微结构化层的折射率是低的。折射率1针对空气层，LED封装可以具有针对GaN LED管芯的折射率2.4，磷光体硅酮可以具有1.4-1.53的折射率。
当抵靠微结构化层的结构化表面使用空气界面时，针对微结构化层的结构化层的折射率可以例如为针对甲基硅氧烷片材的1.41。
图3示出其中与中等功率LED比较两个不同的高功率LED的另外的示例。再次，每一个设备包括LED照明单元1。每一个设备具有高度3，并且可能的高度值的示例在图3中示出。将图2的陶瓷上管芯（DoC）封装与所谓的PSS（预结构化的蓝宝石）芯片级封装LED 30以及与具有导线键合连接的中等功率LED 31比较。
利用芯片级封装PSS技术的LED不具有陶瓷基板，但是在其上沉积InGaN LED层的顶部上维持蓝宝石生长衬底。背侧镀有电气连接以使得组件背侧可焊接。PSS封装30可以薄得多，相比于典型地使用0.6mm陶瓷基板的DoC封装而言为大约0.2-0.3mm高。
对于薄闪光灯，PSS结构30允许更薄的闪光灯高度。
中等功率LED典型地是其中发射器还定位在诸如蓝宝石之类的生长衬底上并且以蓝宝石衬底向下进行安装的LED，通常蓝宝石衬底利用管芯附连粘合材料而向下胶合到封装中。利用导线键合实现电气连接，其将封装内的电气接触件连接到LED管芯的顶部。多个LED可以使用在封装中以实现所要求的光输出量。
各种中等功率LED连接在串中，其可以是以串联或者以并联连接。这些中等功率LED芯片典型地还非常薄，典型地高度为0.2-0.3mm的量级，从而允许薄的总体闪光灯封装。
图3组合各种LED类型与各种磷光体类型。磷光体层可以直接沉积在LED芯片上，其被称为接近磷光体。这样的磷光体层可以仅覆盖芯片的顶部，或者包括陶瓷基板的封装的顶部，或者围绕在发射器周围，还覆盖透明蓝宝石衬底的侧面。此外，磷光体可以填充将LED放置到其中的封装。这通常被称为糊块磷光体，其中磷光体典型地包括嵌入在封装（诸如白色模制的引线框架封装）内所分配的硅酮树脂中的无机磷光体颗粒。这样的配置典型地比仅覆盖发射器管芯的磷光体更加高效。此外，磷光体可以根本不覆盖LED发射器，而是以小距离分离，典型地通过透明材料（例如硅酮或玻璃或陶瓷）层分离。磷光体层然后定位在封装顶部的邻域中，横向覆盖封装以防止来自封装的蓝光泄漏。这样的邻域磷光体典型地比以上提及的其它磷光体类型更高效，倘若LED封装为高度反射性的话。
图3（a）示出使用如图3（a）中的接近磷光体的DoC结构。
图3（b）示出使用接近磷光体的PSS结构30并且示出封装高度减小到1mm。将PSSLED焊接到腔体外壳中，诸如白色硅酮模制的引线框架封装。接近磷光体可以保形地沉积在PSS芯片周围。腔体外壳典型地具有背侧接触件以允许闪光灯LED向PCB的进一步组装。薄外壳、薄PSS和薄射束成形布置导致大约0.6到1.2mm的高度范围中的总体薄封装。射束成形布置12的微结构化层可以附连到外壳的顶部，例如利用粘合胶合剂或者利用粘合带。
图3（c）示出使用填充外壳的磷光体的PSS LED封装30，再次具有在其上安装LED芯片和外壳侧壁的薄反射PCB 32之上的1.2mm封装高度。外壳可以是模制的白色硅酮框架，其被模制到PCB上或者利用粘合剂附连。当磷光体层局限在反射器的顶部上时，通过外壳和PCB形成的腔体的内部优选地填满糊块磷光体或者透明包封材料，诸如硅酮。薄PCB可以具有到背侧的互连以用于电气连接，但是也可以横向地延伸以能够将接触导线焊接到供应接触件，供应接触件在外壳区域外部的PCB的顶部上连接到LED。
图3（d）示出使用填充外壳的磷光体的PSS结构30，再次具有1mm封装高度，但是具有模制在LED芯片周围的外壳基底。
图3（e）示出使用如图3（d）中的邻域磷光体的DoC结构，并且图3（f）示出使用如图3（c）中所示的糊块磷光体的多个中等功率LED芯片31，其中芯片在具有导线键合连接的外壳的基底处附连到电气接触件。绘出两个中等功率芯片，但是也可以使用三个或更多的芯片以生成充足量的闪光灯光。为了容纳使用多个中等功率LED的更高面积，可以增加封装的横向尺寸。
除所提及的LED类型之外，还可以在给定的示例中使用竖直薄膜（VTF）LED，其中LED具有在发射器的顶部处、与导线键合连接的一个电气接触件，以及朝向芯片的背侧以用于焊接附连到封装或PCB的一个电气接触件。
因而，PSS芯片可以安装在模制于PSS组件周围的反射外壳中，或者芯片可以直接焊接到高反射率衬底，诸如薄PCB或者预制造的光混合封装，诸如塑料引线芯片载体（PLCC）封装或者类似的引线框架组件，例如QFN封装。后面的预模制的封装比直接在PSS芯片周围模制封装更加容易实现。
如之前所提及的，本发明特别地涉及执行光学处理的一个或多个微结构化层的设计以及其在基于LED的发光结构之上的悬挂（通过此意味着裸露LED管芯与用于光转换时的任何磷光体层的组合）。
微结构化层包括光学透明且热学稳定的材料，并且支撑结构在基于LED的光发射器上方、0.5mm或更少的高度处支撑微结构化层（或基底层，如果需要一个的话）。本发明可以使得能够减少在图3中示出的高度尺寸，特别地当使用接近磷光体时。
微结构可以形成在聚酰亚胺材料中。微结构化层可以替代地利用注塑成型形成在玻璃中或者使用图案化蓝宝石（或其它陶瓷）板。
在一些优选实施例中，微结构化层可以包括硅酮（诸如高折射率硅酮）或混合硅酮，诸如甲基硅氧烷、甲苯基硅氧烷、苯基硅氧烷、环氧官能化硅氧烷或高折射率硅酮或其混合物。常规（即，非混合）硅酮落入两种主要类型；甲基取代和甲苯基取代，并且第三种类型是苯基取代。混合硅酮具有带有附加功能以及典型地更高有机含量的其它基团。
硅酮是主要包括连接到硅氧烷聚合物链中的硅氧烷基团的材料。硅氧烷基团包括(-O-Si(R1R2)-)n，其是通过氧原子连接到聚合物链中的n个硅原子的重复连接。
链可以具有硅原子上的侧基团，其由R1和R2侧基团表示。例如，甲基硅酮具有甲基基团作为侧基团，其中R1和R2相同并且包括-CH3甲基基团。
甲苯基硅酮具有包括甲基基团的一个基团R1和包括苯基基团的一个基团R2，或者包括具有R1和R2位置上的取代甲基基团的硅氧烷基团和具有R1和R2位置上的取代苯基基团的硅氧烷基团的重复单元或块。
其它侧基团是乙基、丙基、丁基或乙烯基。可以使用相同硅氧烷链内的各种侧基团的混合物。硅酮材料通常使用以低量存在的其它化学性质的基团而在若干位置处交联。例如，硅氧烷链可以包含乙烯基基团，其具有碳-碳双键，诸如乙烯基封端的硅氧烷链，其中乙烯基基团存在于链的末端处。乙烯基基团可以使用诸如过氧化物之类的活化剂与另一个硅氧烷链上的甲基侧基团反应，以便将相邻的硅氧烷链链接在一起以形成网络。乙烯基基团还可以与相邻硅氧烷链上所存在的氢化物（-H）基团反应，诸如存在于R1或R2位置中的一些上或者在链末端处。这样的交联反应可以通过铂（Pt）催化剂来催化。两个硅氧烷链然后经由源自于乙烯基基团的-CH2-CH2-桥接基团而在硅Si原子处互连。
混合硅酮是具有增加的有机含量的硅酮材料。这可以通过将碳氢片段或块引入到硅氧烷链中和/或硅氧烷链上的侧基团中而实现。碳氢部分可以包含其它官能基团，其给出材料特定性质。例如，碳氢基团可以是包含环氧官能性的侧基团，例如脂环族环氧基团。这样的基团能够使用适当的UV引发剂进行UV固化以交联混合硅酮网络。
作为另一个示例，环氧官能性可以存在于链的末端基团中，诸如在环氧丙氧基丙烷基封端的聚二甲硅氧烷中。
还可以填充硅酮或混合硅酮树脂，诸如以影响机械性质，例如通过利用二氧化硅颗粒填充树脂。使用二氧化硅作为填充物将保留光学透明度，尽管可能出现略微的雾化/散射，这在薄层的光学功能方面是可以允许的。
在另一个示例中，微结构化层可以包括硅酸盐或混合硅酸盐或凝胶溶胶材料，特别地，T分枝或Q分枝的材料，而不是离子结构。相比于硅氧烷，这种类型的硅酸盐或混合硅酸盐中的硅原子经由氧原子而连接到多于两个键合位置上的相邻硅原子。例如，纯净硅酸盐，诸如SiO2，在4个位置上经由氧原子连接到网络中的邻近Si原子，要么以被称为石英的规则结晶方式，要么以非规则无定形方式，诸如硅酸盐玻璃。硅酸盐还可以是指在Si原子上的3个键合位置上经由氧原子连接到邻近Si原子的材料。Si原子上的第四个键合位置可以包含各种基团，其一般地称为R。
照此，这种类型的硅酸盐可以在化学上称为(-(R)SiO1.5-)n，其中n是表示结构的重复连接的整数。连接到硅原子的R基团可以包括与存在于硅氧烷中的每一硅原子的两个R基团类似的各种化学基团。例如，适合的并且高度热学稳定的硅酸盐是硅酸甲酯(-CH3SiO1.5-)n。其它化学侧基团可以一般地是烃基基团，诸如乙基、丙基、丁基或苯基基团。侧基团还可以包含乙烯基、丙烯酸或环氧基团。因为这些后面的示例是反应性的，所以它们可以充当允许经由这些基团固化层的基团，例如通过使用适合的光子引发剂的UV光。具有较高含量的包含碳的有机基团的这些硅酸盐可以被称为混合硅酸盐。各种侧基团可以组合在相同层内。
层可以利用小颗粒来强化或填充，诸如以便能够实现较厚的层而没有裂缝形成。所添加的颗粒典型地是纳米颗粒，其允许层保留透明度，倘若这些颗粒充分小的话，例如在直径上小于100nm，并且良好地分散在层内部。示例是利用二氧化硅纳米颗粒填充的硅酸甲酯的层，例如通过10到20体积百分比填充。结构的精细微尺寸在比硅酮更脆的这些材料中可能是优选的，以允许相对薄的微结构化层中的结构压印。对于硅酮或混合硅酮，层的弹性通常更容易允许厚涂敷层的实现，诸如100微米厚度，并且因此还允许相对粗糙间距的微结构的压印。
硅酸盐层可以类似于硅酮而沉积在基底载体层上。这优选地经由适合的前体材料的液体涂敷过程来完成。这样的过程典型地被称为溶胶-凝胶过程，其中前体材料是通常溶解在适当的溶剂中并且涂敷在基底层上的液体。在干燥该层之后，溶胶或溶液将反应并且经由中间凝胶化阶段将反应成固体硅酸盐，其通过增加温度而加速并且通常通过添加的酸或添加的碱来催化。在该溶胶-凝胶过程期间，可以通过在液体或凝胶状态中利用适当的印模对层进行印制来图案化该层。取决于溶剂类型和量，印模可以耗费并且移除来自层的溶剂。主印模可以例如是允许经由扩散对溶剂的耗费和移除的硅酮印模。适当的前体材料的一般表示可以是金属醇盐。例如，为了经由溶胶-凝胶过程获得硅酸甲酯的固体层，将作为硅醇盐的甲基三甲氧基甲硅烷的溶液溶解在酸性水中。酸可以例如是马来酸或者醋酸。醇盐将变得水解，从而导致在完全水解后甲基三羟基硅烷和甲醇的形成。在涂敷并且干燥之后，羟基基团凝结以形成硅酸盐网络并且作为反应中的副产物而形成水。
除硅醇盐之外，还可以使用从金属醇盐前体衍生的其它溶胶-凝胶材料，例如铝醇盐或者锆醇盐或者钛醇盐或者其混合物。
溶胶-凝胶材料的商业示例是在商标名称Ormocer之下销售的材料，其包括经由溶胶-凝胶过程从液体状态沉积的材料家族。存在各种材料类型，典型地使用如上文所述的金属醇盐前体。材料可以利用UV反应基团（诸如丙烯酸或环氧基团）而官能化以允许UV聚合或UV图案化。
溶胶-凝胶衍生的材料，诸如从甲基三甲氧基硅烷单体衍生的硅酸甲酯层的以上示例，固有地比硅酮更加稳定。这是由于经由氧桥接基团的三个折叠网络的形成。这些材料可以承受对300℃或更大的延长暴露，其中经由硅上的两个氧连接的常规硅酮将失效。
微结构化层可以是自支撑的。如果不是，则其可以提供在基底层之上。基底层还需要是热学稳定的，并且可以例如包括聚酰亚胺或者热稳定化的PEN。
一个或多个微结构化层可以通过创建主体印模来制造，例如经由激光图案化在聚碳酸酯片材中。主体印模然后可以在硅酮中复制以形成主体（master）的负片（negative）。该第二主体然后压印到涂敷于薄基底箔的液体硅酮前体层中，固化成固体层并且从硅酮主印模释放。这样的主体还可以利用诸如镍之类的金属进行镀层和涂敷，以获得原始物的金属复制主体。可替换地，主体可以通过金属部分的精确切割/机械加工来制造以产生金属主体。
金属主体板可以通过将液体前体材料（诸如硅酮液体）的层涂敷到基底箔载体支撑物上而复制。
硅酮可以热固化并且从主体释放。可替换地，涂敷液体可以是诸如从硅酮供应商商业可获得的UV可固化的硅酮材料。通过UV光暴露将该层固化到使得其可以以固定微结构化形状从主体释放的这样的程度。随后，可以在烘箱中对该层进行进一步热学固化以实现微结构化层的完全固化。
除这些成批过程之外，还可能的是在卷对卷涂敷仪器上制造箔，如在诸如在液晶显示器中使用的亮度增强膜之类的光学膜的生产中所常见的。在这样的设置中，拉动基底膜的辊通过滚筒***并且将其涂敷有涂敷前体的薄液体层，例如使用狭缝式挤压涂敷。辊然后与旋转鼓接触，旋转鼓包含主体结构，例如镍主体。通过利用UV光进行闪光，前体在印模与鼓接触时固化以形成固体微结构化层。可以使用标准UV固化丙烯酸盐。然而，为了获得高度热学稳定性，可以使用硅酮，诸如UV可固化硅酮或者混合硅酮材料，例如硅酮-环氧树脂材料。
基底箔（当使用时）可以是诸如PET或PEN之类的聚酯。热稳定化的PEN示出对热学循环的更好抵抗性。然而，透明聚酰亚胺箔，诸如Mitsubishi Gas Chemical Company（商标）的Neopulim（商标），是优选的，因为这允许由射束成形光学器件形成的帽体在封装的回流焊接期间承受甚至更多的高温，因为其承受对大约260度的高焊接温度的短期暴露。用于基底箔的可替换物是柔性玻璃，例如Corning（商标）Willow玻璃，或者薄且柔性的蓝宝石。其它透明陶瓷也是可能的，诸如薄氧化铝，或者YAG或者LuAG或者尖晶石。
为了获得向其中复制或浮雕微结构的结构化层和基底箔之间的恰当粘合，可以应用粘合促进中间层。典型地，该粘合促进剂作为薄膜涂敷到基底箔上。粘合促进剂可以包含反应化学基团，其可以对基底箔或预活化的基底箔反应，例如通过使用基底箔的UV-臭氧处置或者氧等离子体或者电晕处置。粘合促进剂层还可以包含反应基团，其可以与硅酮或混合硅酮涂敷层反应，诸如氢化物基团或碳-碳双键。
粘合促进层是使基底层与微结构化层对接以便获得两个层之间的充分粘合的层。该层可以是典型地几微米直到几十微米厚或者非常薄的薄层，诸如亚微米层，例如几百纳米厚。原则上，粘合促进层也可以像粘合促进材料的单层厚度那么薄。
粘合促进层可以包括纯净粘合促进材料本身、粘合促进材料的混合物、或者溶解或混合在粘结剂层中的粘合促进层的混合物，诸如硅酮或硅氧烷材料。适当的粘合促进材料的一般示例是硅烷耦合剂，诸如R1-(R2)-Si-X3。在该通式中，R1基团代表有机官能团，R2基团表示链接剂基团，Si代表硅烷的硅原子，并且X基团表示可水解基团。
当由X3表示可水解部分时，这意味着3个这样的可水解基团链接到硅原子。然而，还可能的是，仅存在2个这样的基团，其由X2表示，或者仅存在一个可水解基团，其由X表示。在后面的情况下，到Si原子的缺失的键合通过其它基团来补偿，例如通过键合到Si原子的甲基(-CH3)基团。可水解基团X包括例如烷氧基基团，诸如甲氧基、乙氧基、丙氧基或丁氧基基团；或者包括酸氧基基团；或者包括卤素原子，诸如Cl，或者包括氨基基团。这些基团可以与水反应，因而水解，以形成粘合促进材料上的硅烷醇-Si-OH基团。这可以例如发生在材料的处理期间，其中水提取可以来自于周围湿气，所涂敷的表面上的湿气的存在或者通过添加的湿气。
硅烷醇基团可以与各种各样的氧化物或氧化表面反应，例如与存在于表面上的其它硅烷醇基团反应，或者与在基底层上生成的羟基-OH基团或者基底层的氧化表面或氧化物反应。
硅烷还可以包含两个Si原子而不是一个，其被称为双峰（dipodal）硅烷。当该硅烷具有每一Si原子的三个可水解基团时，这意味着在水解之后存在每一分子总共6个锚定硅烷醇基团以用于向氧化物或极性表面的增强锚定。
R1基团可以包含官能团，其能够与硅氧烷链反应以形成共价键或类似于硅氧烷链的基团以通过增强的物理相互作用来改进粘合。例如，R1可以包含氢化物基团、乙烯基基团、氨基基团或者环氧基团、或者硅氧烷基团。一个优选的示例是乙烯基硅烷，诸如甲基乙烯基二乙氧基硅烷或者乙烯基二甲基氯代硅烷，其与2组分硅酮中存在和常见的氢化物功能性反应以形成化学键。
链接剂基团R2可以包括各种各样的基团。典型地，间隔物基团的这种链接剂是由-(CH2)n-表示的碳氢链，其中n是整数。例如，短链接剂，诸如甲基(-CH2-)或丙烷基间隔物基团(-(CH2)3-)，或者长碳氢间隔物链，诸如癸基基团(-(CH2)10-)。较长的链接剂基团将给出分子中的更多柔性/可移动性。存在链接剂基团并不关键，其也可以不存在，诸如在以上提及的乙烯基硅烷的示例中。包含微结构的硅酮或混合硅酮层可以包括具有官能化基团的硅氧烷链，诸如可以与粘合促进剂相互作用的反应基团，通常在R1基团上或者在X基团上。例如，硅氧烷链可以包含乙烯基基团或者氢化物基团，诸如在2组分添加固化硅酮中常见的，或者硅烷醇基团，诸如硅烷醇封端的聚二甲基硅氧烷，其在1份硅酮凝结固化材料中是常见的，或者氨基基团，例如氨丙基封端的聚二甲基硅氧烷。
其它功能性可以包括氨基官能硅氧烷或者环氧官能硅氧烷。又其它的官能团可以包括烷氧基基团或者乙酸基基团。还可以使用各种功能性的组合。
这些反应基团典型地存在于硅酮材料的前体或液体状态中，而同时应用硅酮材料，例如通过在基底层上涂敷或铸造硅酮材料。通过使硅酮前体固化，形成固体硅酮层。同时，向粘合促进层的键合将针对兼容的官能团而发生。
除硅烷之外的其它粘合促进材料可以包括钛酸盐或锆酸盐。这些典型地比硅烷功能性更具反应性。例如，可以使用烷氧基钛酸盐或者钛乙酰丙酮化物。例如，钛酸四乙酯可以是适合的粘合促进剂。这些可以合并或混合到硅氧烷粘结剂中并且作为粘合促进层而沉积。而且，粘合促进剂可以混合以得到增强的性能，例如钛酸盐可以与硅烷混合，诸如乙烯基硅烷。
粘合促进材料可以与适当的溶剂混合以便于该层的沉积。
还可以将低浓度的粘合促进剂分子添加到硅酮或者混合硅酮树脂，其形成微结构化层。这可以足以允许向基底层的改进粘合，而不需要分离的粘合促进层，尽管分离的界面层一般更加有效。
为了在基底层上创建锚定基团以用于使粘合促进剂进行反应，对于本领域技术人员而言已知的是，可能要求表面处置，诸如电晕处置、UV-臭氧处置、氧等离子体处置或者火焰处置。例如，当基底层为聚酰亚胺时，期望这样的表面处置以通过氧化来活化表面以得到粘合促进层的增强锚定。
图4示出以基底层40的形式的一个微结构化层以及如上文所述的形式的微结构化层42的设计。将可选的粘合促进层示出为43。
该示例具有以执行准直功能的平行脊部41的集合的形式的结构。每一个脊部具有峰41a。图4示出在脊部的顶点或峰41a处的顶部顶角θ，其可以例如为90度或100度，或者实际上例如在范围70到130度内的其它角度。在优选实施例中，如所示出的，脊部侧面是对称的。
脊部具有平面侧面，而不是弯曲的透镜状表面，并且这意味着光源和微结构化层之间的距离对于光学功能不关键。
脊部41在所示出的示例中为线性的并且由此形成一维重复结构。可以替代地存在二维重复结构，从而形成棱柱状结构的二维阵列。棱柱状结构可以不布置在直线中，并且可以替代地沿弯曲路径布置。
脊部可以全部具有相同设计，即，相同的顶部顶角、相同的宽度（即，在图4中的左右方向上）和相同的高度（从峰到谷部）。每一个脊部微型元件可以利用光的全角度源扩展来光照并且每一个元件然后将提供期望的射束图案。具有相同顶部顶角的结构的重复因而可以覆盖整个源区域以使得能够实现提供期望的射束成形的光学输出窗。结构的重复间距和高度原则上对于相同的顶部顶角可以变化并且导致类似的射束轮廓。
该准直器设计与具有适当热学特性的材料的使用组合地使得能够实现总体封装的高度方面的期望降低，而同时使得光学准直功能能够有效以及维持执行封装的回流焊接的能力。
作为来自以上给定的示例范围的一个示例，低折射率硅酮（例如甲基硅酮类型，诸如甲基硅氧烷）可以用作具有折射率n=1.41的结构化层42。硅酮材料给出用于LED应用的卓越光子热学稳定性。
来自以上给定的示例范围的可替换物是具有1.51-1.53的折射率的甲苯基硅氧烷类型。一般地，微结构化层可以典型地具有用于使用空气间隙的实现的1.3到1.65的折射率。而且可以使用甚至更高折射率的硅酮，例如具有1.61的折射率的高折射率硅酮。这样的高折射率硅酮典型地被特殊地开发，例如通过将高折射率纳米颗粒添加到硅酮，或者通过将增加折射率的特定原子引入硅氧烷链中。
基底层40主要选择成满足期望的结构性质和热学稳定性。基底层的折射率较不重要，因为基底层的界面彼此平行并且最终不影响光线方向。然而，较低的折射率是优选的，使得空气界面处的菲涅尔反射最小化。
作为来自以上给定的示例范围的一个优选示例，基底层可以是聚酰亚胺层。
微结构化光学元件的形状在该示例中因而是在截面的深度方向上延伸的棱形凹槽结构。
单元的外部形状可以采取任何适当的形式，例如使得徽标或其它符号能够在发光表面处是可见的。整个外壳可以替代地以期望的美学形状设计。当然，周界可以简单地为方形或矩形、三角形、细长条带、环形形状或者任何其它形状，而不改变射束图案。
图5示出具有更清楚示出的射束成形光学器件的一个示例设计的LED闪光灯单元。射束成形光学器件具有支撑结构（即，外壳14）的开放顶部51之上的第一结构化层50，以及第一个之上的第二结构化层52。它们每一个具有结构化层，其提供背离光源的细长平行脊部的规则阵列。左边图像是棱镜取向的平面视图，其中顶部棱形结构52以实线并且底部棱形结构50以虚（隐藏）线，并且这示出脊部与交叉角53相交。右边图像示出通过竖直平面，即垂直于衬底的截面。图5还示出由支撑结构（即，外壳）限定的侧壁57，并且这些也是反射性的。
两个层50,52具有如以上参照图4解释的相同设计特征。因而，脊部具有平面侧面，而不是弯曲的透镜状表面。在每一个层内，脊部可以全部具有相同设计，即，相同的顶部顶角、相同的宽度（即，在图4中的左右方向上）和相同的高度（从峰到谷部）。两个层还可以具有与彼此相同的设计。
图5的示例是针对以具有LED管芯之上的磷光体18的蓝色LED 10的形式的基于LED的发光结构。通过本发明而使得能够实现的0.5mm高度限制在该情况下是如所示出的射束成形光学布置50,52的第一结构化层的底部和磷光体层18的顶部之间的距离。
在糊块磷光体（如在图3（c）、（d）和（f）中所示）的情况下，高度要求涉及射束成形光学布置的第一微结构化层和糊块磷光体的顶部之间的间距。在这样的情况下，基于LED的发光结构包括LED和糊块磷光体。重要方面是使得能够回流焊接具有集成光学射束成形功能的单元，但是薄磷光体糊块的使用再次使得单元的总体厚度能够减小。然而，为了将厚度减小至最小值，如图2（a）和3（a）中所示的接近磷光体是优选的。
两个正交对准的层（如所示）可以用于实现两个方向上的准直。然而，所示出的正交取向并不关键。两个层的脊部可以例如以30到150度的角度相交，更优选地50到130度，更优选地70到110度。
示出减少到小于0.5mm的间距。在该限制下，射束成形光学器件可以直接应用于LED（如果没有使用磷光体的话）或者LED管芯之上的磷光体层。因而，间距可以小于0.4mm，或者甚至小于0.3mm。
各层通过可以为空气间隙的层55而分离，尽管该层55可以是不同的材料（诸如胶合剂）但是再次具有比结构化层明显更低的折射率。这要求结构化层的折射率比使用空气间隙时的情况更高。顶部（第二）层还被材料层56所覆盖，材料层56可以与层55相同，例如空气，或者用于在顶部上键合平面化保护层的胶合剂。
本质上，结构需要光学对比以起作用。如果层胶合在一起，则结构化层的折射率将需要增加并且光学键合的折射率需要是低的。可以找到折射率1.4的胶合剂，使得在第一近似中，空气折射率1向胶合剂折射率1.4的增加需要光学结构化层的折射率也以0.4增加到1.70至2.05范围内。这将折射率差异维持在0.3至0.65的范围中。
典型地，胶合剂将具有在1.3至1.6的范围中的折射率。
光在顶部处从外壳朝向微结构化层逸出。取决于微结构化层的折射率和微型光学结构，部分的光可以被准直并且部分可以借助于全内反射而朝向高度反射外壳溯源反射，其中光被回收。所回收的光可以再次通过相同机制逸出。效率取决于外壳的反射率、在不同介质之间的界面处的菲涅尔损失以及介质中的吸收。
图6示出给出来自点光源的光学输出上的单个微结构化层的效果的模拟。
取决于入射角，折射率（差异）和脊部（棱镜）的顶部顶角，一些射线将由于全内反射而反射回来，而其它射线可以在顶表面处逸出。微结构化层的平滑表面朝向光源定向。入射角由光源大小、其位置以及距射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2（c）到（e）），发射轮廓接近于朗伯型，而对于具有接近磷光体的LED，撞击微结构化层的射线的角度分布可以稍微更加定向，但是在所有实际情况中，将不从朗伯型分布明显偏离。可以变化的***的参数因而是材料的折射率和棱镜的顶部（顶点）角度。
外壳基底（LED位于其中）和微结构化层50（或者堆叠的底部结构化层）之间的空气间隙的大小保持尽可能小以使得整个模块尽可能薄。
特别地，空气间隙小于0.5mm，并且更优选地小于0.2mm，诸如在0.1mm附近或者小于0.1mm。
为了保证薄空气间隙并且防止下部微结构化层向外壳的粘着，小间隔物结构可以可选地以低密度应用，诸如小球形或棒状颗粒或支撑杆，以防止两个组件在大区域之上彼此触碰。类似地，这样的间隔结构可以设计在微结构化层上以降低上部层52的背侧和下部层50的结构化层之间的光学接触的可能性。例如，向光学脊部叠置，在光学脊部的高度顶部上，可以设计低密度的杆，其稍微伸出来，诸如在高度上为10到25微米。这防止顶部层52的平坦侧面触碰微结构的顶部。这样的间距还可以应用于顶部层52的背侧，例如以粗略垂直于下部微结构化层50的脊部对准的条带形状间隔物结构的形式。
为了防止设备顶部上的微型光学表面结构在处置和使用中的刮划和损坏，可选的保护片材可以添加在结构顶部上，典型地为透明片材，例如透明聚酰亚胺片材。
外壳焊接到电路板以使得能够将驱动信号提供给LED。以上示例示出具有反射基底和侧壁的外壳以提供光的高效回收。然而，这并不关键。
图7示出各种可替换的封装。
图7（a）示出没有侧壁并且没有PCB的封装。蓝色LED芯片10包括诸如具有背侧接触件的蓝宝石之类的载体衬底上的外延层，例如倒装芯片架构。LED芯片10被反射层60（诸如白色硅酮模制物）围绕，其形成外壳以及因而的支撑结构。磷光体涂层61覆盖该封装并且光学结构层50,52在周界处利用粘合剂附连到该封装。
要指出，在图7的所有示例中，将磷光体示出为61，即便示出不同的磷光体类型。
粘合剂形成图5中的层55并且用于将两个微结构化层50,52附连到彼此以及将该组装件附连到封装。该粘合剂可以是胶合剂，其从液态固化成固态，或者为粘合带的片段。粘合带可以是热学固化的胶带或者在部分连接之后UV固化的带。
图7（b）示出其中磷光体层61局限到发射器区域或者仅稍微大于发射器区域的可替换封装。
在图7（c）中，磷光体61大于芯片但是小于封装的外部尺寸，并且存在发射器和磷光体层之间的距离，以限定邻域磷光体。该间隙典型地填充有透明硅酮。
在图7（d）和7（e）中，将轮缘64模制到封装上，因而形成具有侧壁的腔体。在图7（d）中，该腔体为空的或者典型地填满透明材料，诸如硅酮。在图7（e）中，该腔体至少填充有包含至少单个磷光体材料的单个磷光体层，例如嵌入在硅酮材料中的粉末磷光体材料。
图7（f）示出包括由框架66上的光学箔组装件包覆/覆盖的磷光体61的平坦LED封装10。框架66在具有间隙的情况下放置在封装周围，或者框架键合在LED封装周围，例如通过利用透明硅酮或者利用反射硅酮填满封装10和框架66之间的间隙。
图7的封装可以具有背侧接触件以能够由消费者将这些封装焊接到PCB。可替换地，这些封装可以已经预附连到薄PCB背侧。该背侧PCB可以延伸超出LED封装区域。在PCB上，可以附连ESD保护二极管，诸如瞬态电压抑制器，以防止闪光灯LED组装件（其还称为闪光灯LED模块）被静电放电所损坏。可替换地，该保护二极管可以集成在LED封装内部，诸如在反射壁或反射周界内部，或者至少优选地在腔体内部。
作为另一个示例，多个LED发射器可以使用在相同封装内部并且由相同光学射束成形结构覆盖以成为紧凑的多LED发射器，如图8中所示。闪光灯的发射颜色可以通过控制具有不同白色色温的两个LED之间的电流比值来控制。
图8示出在共享衬底72上具有不同色温的两个LED封装10a、10b。每一个LED封装具有其自身的磷光体层61并且存在透明填充物70以形成单个总体结构。
然后可以可控地使LED单元取决于期望的图像感知来发射多个颜色。例如，第一LED可以发射例如6000K的冷白色，而第二LED可以发射例如2700K的暖白色。作为结果，利用相机拍摄的图像可以取决于摄像师的希望而以冷或暖场景设置来存储。因为两个LED可以置于相同封装中，所以该双通道闪光灯可以变得非常紧凑并且仅针对一个封装的成本，而不是要求两个分离的闪光灯LED单元，每一个具有菲涅尔透镜，其节省空间并且省去两个透镜的高成本。
因为共享封装顶部上的射束成形光学器件还具有光混合能力，所以具有通道之间的可控电流比值的两个LED的联合操作仍旧允许所发射的光分布的非常良好的光混合，甚至是在距封装的小距离处。受控电流比值允许各个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横越颜色可调谐的颜色空间，例如以能够使色点从黑体辐射器偏离，诸如具有黑体线以上的中间色温的第三封装。类似地，可以添加第四通道，或者一般地可以在相同封装中实现多通道封装。
以上提及的是，封装可以成形以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添加另一个反射组件，诸如白色反射箔或者镜面反射镜箔，其中射束成形光学器件顶部上具有印出的形状。照此，光学器件的外部周界可以不进行成形，但是任何形状然后可以通过使用覆盖射束成形光学器件的部分阻挡或反射层来应用。
被阻挡的光优选地使用面向光学层的高度反射材料来回收。被阻挡/反射的光将在与射束成形光学器件和封装的相互作用之后得到另一个逸出的机会，其中其可以被发送回到位置偏移的光阻挡/反射层以便被透射通过（多个）经成形的开口。
创建期望形状的另一种方式是通过利用反射材料覆盖微结构化层，例如顶部层。例如，顶部层可以通过在该层上分配或者印刷白色反射材料（诸如白色硅酮层）而被部分地覆盖，其将局部填满/覆盖微型光学表面结构。作为分离的层或者作为沉积在微结构化层上的层的阻挡层可以放置在射束成形光学器件的顶部上、射束成形光学器件的顶部和背侧之间。当在微结构化层之间使用阻挡层时，其还可以具有将层一起键合成一个箔组装件的功能，从而保留其中光以期望的射束轮廓透射的区域处的微结构化层之间的间隙。
以这些方式，可以在发射器之上叠置任何期望的形状，以在设备的关断状态中或者设备的调暗操作处给出设备的期望外观，而不是使观看者失明。
如上文所提及的，已知应用散射层以抵消（conceal）磷光体的黄色外观。这可以应用于以上示例，特别地使用填充外壳的空间的糊块磷光体的那些。
以上示例利用每一个微结构化层上的平行且笔直的脊部的阵列。这些脊部可以具有跨表面区域的均匀间距。然而，这并不关键，并且间距可以局部变化。在该情况下，间距是非规则的。提供非规则间距的一个潜在益处在于，其可以导致脊部高度差异。下部结构化层的最高脊部顶部然后可以用于充当间隔物以支撑顶部结构化层而同时准许两个层之间的低光学接触区域。
脊部不需要为笔直或连续的。例如，微结构化层的区域可以划分成区域，其中脊部在那些区域内在不同方向上延伸，例如形成棋盘状图案。在每一个局部区内，两个层的脊部以期望的角度相交以提供两个不同方向上的期望准直。
顶角典型地对于每一个结构化层整体而恒定。然而，这并不关键，并且顶角可以跨层而变化。该变化将典型地仅为小的，例如在5度内，使得所有顶角处于给定范围内（诸如90到110度）。
紧凑照明单元典型地具有直径小于8mm的孔径，尽管布置使得设备能够在大小方面增加而没有厚度方面的对应增加。
如上文所讨论的，外壳可以制成反射性的。特别地，其比LED芯片更具反射性。漫反射性质比镜面反射优选，使得光以尽可能少的内部反射离开外壳。白色硅酮可以形成漫反射表面。
示例示出两个微结构化层。然而，可以提供另外的光学层，例如以用于颜色控制。此外，第三结构化层可以用作准直功能的部分。
此外，如上文澄清的，结构可以应用于单个层，并且光学功能不必为准直。可以实现其它射束成形功能，诸如透镜功能。
感兴趣的一个领域是用于移动电话的闪光灯LED应用。闪光灯LED模块还可以用于照相机或视频相机上的图片相机闪光灯或者作为集成在诸如平板电脑之类的其它设备中的闪光灯组件的部分。
然而存在可以考虑的众多其它紧凑的照明应用，例如在聚光灯中。组件可以一般地使用在其中要求特定光束强度分布的应用中。当前该功能大多实现在次级光学组件中。本发明使得射束成形功能能够移动到初级光学器件，直接在LED上，而同时使得组件能够承受回流焊接过程。
可能的应用的一些示例为：
例如用于办公室照明的射灯，其具有预准直但是宽的射束分布；
具有给出减少的眩光的光分布的照明应用，例如其中可能期望在距法线大于阈值（例如，60°）的角度处发射的光的抑制的办公室照明；
提供蝙蝠翼型分布的照明应用，例如用于办公室、工业和室外照明；以及
其它定向/非对称光分布，例如用于人行横道光照。
在这些应用中的许多中，组件的横向宽度、所使用的LED的量以及输出光的总量可能大于针对移动电话所要求的情况。除用于照片的闪光灯脉冲之外，单元还可以针对视频闪光灯连续地操作。
图9示出一些可能的期望光学功能，其示出作为关于法线的发射角度的函数的强度。
图9（a）示出给出减少的眩光的强度特性。
图9（b）示出给出蝙蝠翼分布的强度特性。图9（a）和9（b）可以旋转对称。然而，非旋转对称功能也是可能的，如图9（c）和9（d）中所示，其中还示出旋转非对称。
微结构化层可以背离LED 10或者其可以面向LED 10。这两种可能性在图10（a）和10（b）中示出，其中微结构化层被示为80，并且其可以包括单个自支撑层，或者组合的基底层和微结构化层，或者多个微结构化层或多个微结构化层和基底层组合。如所示，层82提供在微结构化层的结构化表面之上并且层84提供在平坦表面之上。如上文所述，这些层可以是粘合层以例如用于将多个射束成形布置键合在一起，或者用于将射束成形布置键合到基于LED的发光结构，或者用于平面化目的，或者用于保护微结构化层以防损坏和污染，或者用于限定期望的空气间隙。
单个层结构可以具有例如角锥体或圆锥体结构。
图10示出使用键合层80而不是提供空气间隙的单层结构的两个设计。射束成形层被示为80。在图10（a）中，存在提供保护和平面化的顶部覆盖层82。键合层84处于微结构化层80和LED之间。LED层示意性地示为层10'（在图10和11中）——这表示完整的LED以及周围的封装和磷光体。
在图10（b）中，微结构化层80具有面向下的脊部。
键合可以给出更好的机械稳定性并且通过消除维持和控制空气间隙的需要而消除可能的稳定性问题。还可以存在封装组装件中的优势。
在这样的键合架构的情况下，仍旧存在维持射束成形布置周围的层和微结构的材料之间的折射率对比的需要。这可以以除图10中所示的那些之外的若干其它方式而实现。
图11（a）示出低折射率材料85，诸如气凝胶，以及微结构化层80的平滑侧面和LED10'之间的键合层86。键合层不需要具有低折射率，例如其可以具有n=1.4。以该方式，存在射束成形布置80下面的两个层85,86。
图11（b）示出低折射率材料85的三个层结构，一侧上的键合层86（在低折射率材料和微结构化层80之间）和相对侧上的第二键合层87（在低折射率材料和LED 10'之间）。
各层之间的键合不需要跨整个区域延伸。图12示出两个示例。
图12（a）示出具有以射束成形布置80,82下面的空气间隙的形式的低折射率层的部分键合架构。部分键合使用仅在封装的侧面上具有键合的常规折射率材料键合层88（例如，n=1.4）实现。不存在键合层88与磷光体20（或者LED 10'的另一个顶表面）的重叠。
图12（b）示出形成支柱集合的键合层89，这次再次给出其中与底层磷光体20（或者LED的其它顶表面）接触的部分键合。
常规折射率材料可以用于该情况下的键合层。空气间隙被有效地维持，例如在图12（b）的示例中通过仅使用相对小量的区域用于键合。胶合点可以应用于LED结构的顶部，或者可替换地，支撑结构可以提供在基底层80的背侧上。
不同设计规则可以应用于部分键合的情况下。与磷光体的总体重叠区域需要保持尽可能小。取决于折射率的特定值和射束要求，可以得出设定可能区域的准则。
因而存在利用LED和射束成形布置之间的多个层的各种设计，其中这些层中的一个具有低折射率，并且该低折射率层可以是气体（即，空气）或者固体（例如，气凝胶）。
如上文所解释的，组件设计为承受回流焊接。出于完整性起见，在图13中示出关于时间的回流烘箱温度轮廓的示例。
示出了两个极限曲线90和92。存在预热阶段94、抬升阶段96（具有最大斜率3度/s）、峰值阶段97和缓降阶段98（具有最大斜率6度/s）。
要指出，在本文档中描述的各种材料本身已知，并且其热学和机械性质也已知。例如，作为其高稳定性的结果，适当的硅酮材料广泛地使用在用于LED封装的LED产业中。
在本申请中的适当材料的使用使得能够构造非粘性且可回流焊接并且具有适当光学微结构的箔，例如特别地用于光学光准直。
图14示出作为移动便携设备100的部分的相机。相机具有相机光学传感器102和充当闪光灯的本发明的LED单元104。光学传感器包括同样如所示出的传感器元件107的正交行105和列106。
如上文所讨论的，微型元件包括具有顶角的结构。为了更清楚地示出所意指的含义，图15以透视图示出两个可能的示例。
图15（a）示出如上文详细解释的平行脊部结构并且因而以透视图示出了图4的结构。在该情况下，存在在给出一维重复的线上延伸的脊部41（或者谷部）。脊部具有以线的形式的顶部顶点41a。脊部侧面是平面，所以它们不具有任何透镜状功能。而是，存在跨层42的区域的重复光学功能。
脊部可以是形成二维重复的角锥体。
图15（b）示出了圆锥体110的阵列。这些具有单个侧面并且它们渐缩以达到以点的形式的顶部顶点。点可以形成如所示出的规则网格，但是再次，圆锥体可以布置在笔直或弯曲的线中。在圆锥体的情况下，侧壁是弯曲而非平面的。然而，侧面从基底向顶点110a笔直延伸，所以再次不存在弯曲透镜状表面。在通过垂直于层42并且经过顶点110a的平面的截面中，侧面为笔直的。
光学层42的这些设计执行光回收功能而不是成像功能（类似于菲涅尔透镜）。光学结构的图案（圆锥体、棱柱、角锥体）重复并且覆盖光学窗。
要指出，对于相同顶角，可以使用不同棱柱或脊部或圆锥体高度。因而，间距可以对于相同顶角变化，而同时改变高度。这给出相同光学效果。对于对称角锥体，存在单个顶角，然而，对于具有矩形基底的角锥体，存在要考虑的两个顶角。在两个顶角的情况下，可能在两个垂直的方向上而不是独立地控制射束准直。
光学层的光回收功能在图16中示出。其示出图11（a）中示出的类型的层42。光源由层112表示。这是磷光体层，并且它跨其区域相对均匀地发射光。
层42提供轴上准直。每一个微结构具有光接受圆锥体。引向每一个顶点的渐缩的侧壁不允许法线定向的光的经过。该光由于在脊部侧面处的全内反射而如箭头114所示的那样被回收。这等同地适用于脊部、角锥体和圆锥体。因而，存在接受圆锥体外部的光的回收，其中更接近箔的法线的光溯源反射到（散射）光源，其中其在其它方向上随机地散射，从而给予它穿过层42的另一次机会。
LED在部分地转换蓝光的磷光体层下面（或在其内）。总体效果在于，从磷光体层发射白光。该磷光体层优选地具有几乎与具有微结构的光学层42相同的区域。LED还可以***到白色反射的腔体中。结果在于，照度在发光区域之上相当恒定，使得到跨区域的不同微结构的入射角在光源的区域之上非常均匀。
因为顶角（图16中的α）和材料在任何地方类似，所以角度准直分布对于每一个微型元件也类似。甚至在非均匀初始光输出的情况下，法向发射的光也如上文所解释的那样得到回收，并且然后散射。与反射外壳的效果组合地，导致微结构化层42的相对均匀的光照。微型元件每一个形成期望的射束图案，使得结构的不同空间区域以相同方式引导入射光。
在菲涅尔透镜中，需要不同区域，诸如折射透镜区域和反射轮缘区域。入射光然后需要以特定角度范围进入以用于使透镜恰当地工作。在本申请中描述的射束成形布置中，光源输出的整个角度扩展可以入射在所有空间位置处。
进而，这意味着设计对于设备中心处的LED的对准不敏感。LED可以放置在腔体内的不同位置处以得到类似的效果。而且，多个LED可以提供在腔体内以例如得到相同分布处的更多输出功率。
对于菲涅尔透镜，发射器需要放置在透镜的光轴处并且其在大小方面与透镜相比必须是小的。菲涅尔透镜还放大LED发射器。对于磷光体转换的LED，这典型地给出增加的黄色外观。通过使用回收光学器件而不是聚焦光学器件，直射LED图像得到抑制（由于来自LED的法线光角度被反射）。偏离法线的角度主要被透射，其创建腔体内部的“图像”，其可以为白色或者相比于直接在LED之上的磷光体而言包含低浓度/黄度的磷光体。因而，设备的关断状态中的黄色外观可以减少。
作为以上解释的分布式光学功能的结果，利用成形孔径（例如，成形为公司徽标）覆盖闪光灯模块不影响射束成形功能。效率将当然降低。利用菲涅尔透镜，射束形状将通过仅允许透射部分形状而受影响。
通过研究附图、公开内容和随附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的发明时，可以理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。

Claims (17)

1.一种LED照明单元，包括：
支撑结构（14）；
安装在支撑结构内的基于LED的发光结构（10）；以及
在支撑结构的顶部（51）之上并且由支撑结构支撑的光学射束成形布置（12），
其中第一材料提供在基于LED的发光结构（10）和光学射束成形布置之间，第一材料具有第一折射率，
其中光学射束成形布置包括定位在基于LED的发光结构（10）上方小于基于LED的发光结构（10）的发光面积的平方根的高度（3）处的微结构化层（42），并且
其中微结构化层包括
- 具有与第一折射率不同的折射率的光学透明且热学稳定的材料，以及
- 微型元件（41；110）的至少一个阵列，每一个微型元件具有在顶部顶点（41a；110a）处相遇的一个或多个侧面，其中一个或多个侧面从其基底向顶部顶点是笔直的；
其中，光学射束成形布置包括基底层（40）和基底层之上的微结构化层（42），以及包括基底层（40）和微结构化层（42）之间的粘合促进层（43）。
2.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中支撑结构（14）在基于LED的发光结构（10）上方小于0.5mm的高度处支撑光学射束成形布置（12）的微结构化层（42）。
3.如权利要求1或2中要求保护的照明单元，其中支撑结构（14）包括在基于LED的发光结构（10）和光学射束成形布置（40,42）之间延伸的反射侧壁。
4.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中微结构化层（42）包括硅酮、混合硅酮、硅酸盐、混合硅酸盐、溶胶-凝胶材料、聚酰亚胺、玻璃或者透明陶瓷。
5.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中微结构化层（42）包括蓝宝石。
6.如权利要求4或5中要求保护的照明单元，其中微结构化层（42）包括甲基硅氧烷、甲苯基硅氧烷、苯基硅氧烷、环氧官能化硅氧烷或高折射率硅酮、硅酸甲酯或甲苯基硅酸盐或苯基硅酸盐、或者从金属醇盐前体衍生的溶胶-凝胶材料或所述溶胶-凝胶材料的混合物。
7.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中基底层（40）包括聚酰亚胺或热稳定化的PEN、或硅酮、或玻璃或透明陶瓷。
8.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中基底层（40）包括蓝宝石。
9.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中粘合促进层包括含有硅烷、钛酸盐或锆酸盐的材料。
10.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中光学射束成形布置：
与第一折射率的第一材料接触；或者
通过中间键合层键合到第一折射率的第一材料；或者
使用具有键合部分和第一折射率的第一材料的部分的部分键合层而键合到基于LED的发光结构（10'），
其中微结构化层的材料具有比第一折射率大0.3和0.65之间的折射率。
11.如权利要求10中要求保护的照明单元，其中第一材料包括：
具有1.0的折射率的空气；
具有1.3以下的折射率的低折射率层；或者
具有1.3和1.6之间的折射率的覆盖层。
12.如权利要求11中要求保护的照明单元，其中，所述低折射率层是气凝胶层。
13.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中光学射束成形布置（40,42）键合到基于LED的发光结构。
14.如权利要求1中要求保护的照明单元，其中基于LED的发光结构包括：
LED；或者
LED和直接在LED之上的磷光体；或者
LED和填充支撑结构的磷光体；或者
LED和在第一微结构化层下面且与LED间隔的磷光体层。
15.如权利要求1中要求保护的照明单元，包括堆叠中的多个光学射束成形布置（50,52），并且包括包含空气或粘合剂的光学射束成形布置之间的层（55）。
16.如权利要求1中要求保护的照明单元，包括相机闪光灯单元（104）。
17.一种移动便携设备（100），包括相机光学传感器（102）和如权利要求16中要求保护的照明单元。
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