CN100573934C - 用于成像单元的光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光源(2)，其具有至少一个发光模块(13)和控制模块(12)，该控制模块具有电子控制设备。此外，本发明还涉及一种用于具有根据本发明的光源(2)的抬头显示器的成像单元(1)。为了获得足够的亮度，传统的解决方案需要太多的结构空间，或者不能够大规模生产。本发明的目的是使高亮度、较小的结构空间和大规模生产彼此结合，特别是用于抬头显示器。根据本发明提出，发光模块(13)和控制模块(12)分别具有各自的支承件(14、22)，其利用共同的支架(11)互相固定地连接，其中发光模块(13)利用第一导线与控制模块(12)连接，该第一导线这样地设计，即由热导致的控制模块(12)和发光模块(13)之间的相对运动通过导线的变形毫无损害地吸收。

Description

用于成像单元的光源
技术领域
本发明涉及一种光源，其具有至少一个发光模块和控制模块，该控制模块具有电子控制设备。此外，本发明还涉及一种用于带有根据本发明的光源的抬头显示器的成像单元。
背景技术
开头所述类型的光源和成像单元已经在德国公开申请文件DE198 58 591 A1中公开。在仅提供有较小的安装空间的同时，特别是在来自于周围环境的外部光线较强的情况下，对用于抬头显示器的光源的亮度的高要求对其发展持续地提出了大的挑战。利用发光装置产生的亮度很低，即例如多个发光装置需要传统的半导体发光二极管，或者单个的发光装置具有如此高的作为热量消耗的能量损失，则用于冷却的复杂性和空间的需求不再符合给定的经济的和技术的边界条件。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明的目的在于提出一种光源，其在仅仅很小的空间需求时可以产生特别高的亮度，其中，在应用到在汽车范围的抬头显示器中时，装置还应该满足大规模生产的要求。
根据本发明，提出一种开头所述类型的光源用于解决该问题，在该光源中，发光模块和控制模块分别各自具有支承件，即发光模块具有第一支承件，控制模块具有第二支承件，并且发光模块与控制模块利用一个共同的支架彼此固定地连接在一起，其中发光模块与控制模块利用第一导线连接，该导线这样地设计，即由热量导致的在发光模块与控制模块之间的相对运动通过导线的变形毫无损害地吸收。
决定性的优点是光源的模块化设计，该光源允许根据亮度的需求使控制模块对应附加的发光模块。该模块化的结构满足标准化的高要求，这极大地降低了大规模生产的费用。
此外，在安装时，对应于发光模块或者控制模块的支承件提高了这些组件的可操作性。此外，利用第一导线在控制模块和发光模块之间建立的电连接带来特别的优点，该导线这样地设计，即其毫无损害地克服了由热量造成的相对运动。在此，这是特别有利的，即这些导线弧形地设置，从而在相对运动时弧形的几何形状发生改变，这对应用于第一导线的材料的变形能力提出了相对较小的要求。根据本发明的光源的模块化设计的机械断开装置，特别是在瞬时的热过程期间，尤其降低了出现的由热量造成的应力的大小，这允许较高的温度梯度和温度瞬变以及较高的温度水平的使用。同时，较高的允许温度降低了对于冷却的要求并实现了更节省空间的设计。
本发明的一个有利的改进方案提出，用于发光模块与控制模块连接的第一导线设计为接合线。首先，发光模块到控制模块的根据本发明的固定利用一个共同的支架实现，接合线可以应用在该位置。此外，提供带有可连接的表面的驱动电子装置或者发光模块的相应的接触点(例如基于金镍、银铂、银钯)是符合目的的。在须承受的温度时，在导线抻拉测试中达到非常好的效果。为了机械地保护该连接，在相应的区域可以利用塑料覆盖，例如利用树脂或者硅凝胶。
当发光模块具有至少一个半导体晶片，该半导体晶片与导体层保持电连接地设置在导体层上时，光源在具有较长的寿命的同时还具有恒定的光输出。在此，半导体晶片的直径可以为1mm，其中，发光功率的预期的数量级可以在对角线尺寸大约为0.5mm时达到。在亮度方面的非常好的效果以及可以接受的放热可以利用具有0.5m2到1.5m2的，特别是大约1m2面积扩展的半导体晶片来达到，其中，在1m2时，功率消耗为500Mw。
发光模块和/或控制模块在支架上的固定可以费用低廉地利用粘合剂实现。
当控制模块对应有多个发光模块时，根据本发明的模块化结构的优点变得非常明显。
当在控制模块和/或在发光模块上设置温度传感器时，还可以更好地利用由单个组件的材料设置的极限。在此，好的解决方案是在主热源上的温度传感器与发光模块连接，特别是在暂时性的温度过程时实现最大的功率。为了降低与控制模块规则连接的多个发光模块的费用，温度传感器也可以热耦合到具有相当大的功率损失的控制模块上。当在发光模块和控制模块上都配备相应的温度传感器系统时，获得最高的材料利用。
根据本发明的模块化结构，每个半导体晶片可以实现至少0.5瓦特的功率消耗并且对于实现预期的亮度是有利的。
为了进一步提高发光模块的热负荷能力，导体层可以敷设在由陶瓷构成的支承件上。该陶瓷可以有意义地设计为导热的混合物，特别是氧化铝陶瓷(Al2O3)。当陶瓷具有至少5K/W的导热系数时，在导出热损耗时，可以得到好的效果，其中，其有利地设计为电绝缘体。虽然陶瓷可以设计为第一支承体，但其对于设计为第三支承件的陶瓷的操作能力是很有利的，并且第三支承件在制造的中间步骤中固定在第一支承件上。
为了经受住高的热负荷，并且满足导线的要求，即导线有利地至少部分地由包括银和铂的混合物构成。在此，导体层可以包括印制导线。该印制导线利用两根设计为接合线的导线中的一根与半导体晶片的远离导体层的一侧连接。
导体层可以有利地利用导线电连接到通向控制模块的导线上，该导线优选地是印刷电路板的一部分，这些导线设计为接合线，从而可以持续地承受在此产生的高温。该连接有利地利用塑料隔离物保护以防止外部的化学和机械的影响。
当发光模块包括多个半导体晶片，并且导体层以及在导体层与半导体晶片之间的连接这样地设计时，即至少两个半导体晶片可利用印制导线彼此不依赖地施加电压时，光源可以根据亮度和色彩以特别灵活的方式控制。利用该方法可以实现特别高的明暗度和在色彩的选择中的灵活性。
当导体层至少部分地由包括银和铂的混合物构成时，可以实现在高的工作温度时的非常突出的传导性。在生产中，该混合物至少暂时是糊状的，并且优选地利用二氧化硅涂敷在确定的区域，该区域随后进行熔化处理。当导体层包括印制导线，该印制导线利用两条至少设计为接合线的导线中的一条与半导体晶片的远离导体层的一侧连接时，其对于半导体晶片的电压供应是有利的。有利地选择一种特别耐高温的，并且在该温度时具有好的传导性的材料，例如金。为了防止外部的特别是化学和机械的影响，由半导体晶片和利用接合线实现的接触组成的该装置可以有利地利用由透明的耐高温塑料构成的层覆盖，例如环氧树脂。同时，该覆盖构成主光学系统，其根据反射地设计的背景的形状和设计来造成基于半导体晶片的光路的聚焦，半导体晶片位于该背景上。
当发光模块包括第一印刷电路板，并且支承件固定在印刷电路板上时，获得用于联合发光模块的各个组件的特别成本低廉的同时又是技术优选的解决方案。在此，第一印刷电路板可以利用平坦侧抵靠在支架上，并且优选地与之粘接在一起。当支架设计为散热体时，其对于排导以热的形式的功率损失是有利的。在第一印刷电路板和支架之间的连接一方面应该耐高温地设计，另一方面应该良好地导热地设计。用于设计为散热体的支架的成本低廉的材料是铝。同样，控制模块可以具有第二印刷电路板，其利用平坦面抵靠支架，并且可以同样固定在支架上。
在选择可由半导体晶片发射的光的颜色时，产生用于在抬头显示装置中应用的半导体晶片的特别有利的联合。在此，发光模块优选地具有1、2、3、4个半导体晶片，这根据功率损失和产生的亮度证明是特别有利的。
特别有利的是，直到现在描述的光源能够以全部的变体应用，以用于成像单元。
在基于光源的光路中，第二光学系统有利地设置在具有发光模块的主光学系统之后。该第二光学系统可以有利地包括反射体，其中，该反射体至少部分地完全反射地设计，这差不多排除了所有的光损失。一个特别成本低廉的解决方案在于，发射体由可传输的聚合体构成。在此，反射体具有一个基本上圆锥形或者棱锥形的轮廓，其中，反射体的横截面在主要的光传播方向上加宽，用于光束的形成。详细地说，这是有利的，当由发光模块的主光学系统射出的光在反射体的入射面入射，除了该光在反射体中几乎全反射之外并且以光束的形式从出射面出射。在此，当反射体发射一个加宽的光束，该光束具有边界面，这些边界面以光的主传播方向中心地穿过光束的中心轴线构成大约5°到15°的角度时，反射体特别有利地设计用于应用在根据本发明的成像单元中。当发射体的外部轮廓是凸面的时候，该特征可以更好地实现，其中，当反射体的外部轮廓设计为在光的主要传播方向上加宽的旋转抛物曲面，并且旋转抛物曲面是基于五阶多项式时，其证明是特别有利的。当入射面上具有一个至少部分地容纳设置在发光模块上的发光装置的凹进处时，反射体的输入损失可以降到最低。
如果希望得到入射的光的附加的聚焦，那么当凹进处具有在中心轴线的方向上相对于光源设置的端面，并且该端面在光源的方向上具有凸起的拱面时，是非常有利的。
当对应于反射体的多个光模块彼此相邻地排列时，特别是在成像单元的光源的预期的平面地照射时是有利的。为了在各个反射体之间的交汇区域中避免过强的不规则地照明，反射体具有出射面，例如当出射面是矩形的时，其可以实现相互间差不多无缝隙的布置。当在到反射体的光路中设置一个公用的光混合模块时，有利于避免在反射体的出射面的全部面上出现的亮度分配的不均匀性。在到光混合模块的光路中可以根据结构空间的要求直接设置一个图形生成模块的透明的显示器，或者插入折叠光路的反射体或者镜子。这种类型的反射体或者镜子可以在抬头显示器中增强虚拟画面对于驾驶员的立体感或者距离感。基于第二光学系统的聚焦效应，第二光学系统的出射面可以具有与可投射的显示面差不多的尺寸。利用光入射面和光出射面以及向内反射的侧壁，优选地与第二光学系统相邻的光混合模块可以有利地箱形地设计。在光路的方向上延伸的长度根据在第二光学系统中的出射面的区域中的亮度差别的强度确定。在亮度中的可能的不均匀性以及由光源或者第二光学系统引发的视觉干扰效应可以附加地或者在仅仅很小的差别时仅仅利用在光路中在光模块和显示器之间设置散射盘来避免。
附图说明
接下来，根据用于解释的特别的实施例来进一步说明本发明。除了该实施例，本领域的专业人员可以从在此描述的发明中得出结构方案的大量的其它可能性。特别是，本发明还包括特征的组合，其从权利要求的组合中得出，即使在没有提出明确的相应参考的时候。图中示出：
图1根据本发明的图形发生单元的示意性透视图，
图2根据本发明的光源的发光模块的示意性的俯视图，
图3a到图3d用于发光模块的半导体晶片的不同颜色结构的联合的例子。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的成像单元1，其具有在光的主要传播方向6中沿着从光源2出发的光路5的基本组件：光源2、第二光学系统3、光混合单元4、镜子7、散射盘8和显示器9，其中在镜子7和散射盘8之间能够以如在这里示出的方式随意地设置一个发光盒10。
光源2基本上有支架11、控制模块12和发光模块13构成。由铝构成的支架11设计为散热体，在其之上通过未占用的平坦表面粘接有驱动控制模块12和发光模块13。在此，粘接在任何情况下确保导热性和耐高温性的高要求。控制模块12具有设计为印刷电路板的第二支承件14，其与极大简化地示出的电子控制设备15安装在一起。此外，被安装的组件包括温度传感器16，其向电子控制设备15报告工作温度，其中，在达到确定的极限温度时，降低发光模块13的运行功率。电子控制设备15从未示出的控制单元接受经过调制的脉冲宽度信号，并且将其转换为用于各个发光模块13的适当的工作电压。
发光模块13于控制模块12利用第一导线21连接。第一导线21设计为接合线，其中，根据详细说明2a，该导线弓形地从控制模块12的第一触点70延伸到所示的发光模块13的第二触点71。为了适合于接合线的连接，第一触点70和第二触点71对应地设计。发光模块13的全部组件都固定在第一支承件22上，该支承件设计为印刷电路板。发光装置24分别处于两个发光模块13的第一支承件22上，该发光装置在光的主传播方向6上基本上射入到第二光学系统3中。
第二光学系统3具有面对于入射面30的发光装置24和相对于入射面30的出射面31。沿着光的主要传播方向6，第二光学系统3具有连续加宽的矩形横截面，从而使出射面31具有比入射面30大的面积。两个示出的发光模块13这样地间隔地相邻设置，即分别对应于两个发光模块的第二光学系统3的出射面31彼此无缝隙地邻接在一起。第二光学系统3设计为由透明的聚合物构成的全反射传输的截圆锥体。
接下来在光路中的光混合器基本上由侧壁42构成，该侧壁由光入射面40和光出射面41限定，其中在光的主要传播方向6中的光混合模块4的横截面基本上对应于显示器9的尺寸。
在控制模块12和发光模块13上分别以较好的导热连接设置有温度传感器60、61。温度传感器60、61向电子控制设备15报告本地的测量温度，电子控制设备根据测量值限制功率消耗，从而不会超过可靠的温度。
在图2中详细地示出的发光模块13基本上由发光装置24和第二导线25构成，其中，发光装置24和第二导线25设置在第一支承件22上，并且固定再其上面。发光装置24利用在详细说明2a中示出的设计为接合线的第三导线27与第二导线25形成电连接。发光装置24本身以良好的导热性和耐高温性粘接在第一支承件22上，该第一支承件设计为印刷电路板。
发光装置24具有一个特别耐高温的第三支承件50，其设计为由氧化铝(Al2O3)构成的小陶瓷盘。第三支承件50是导体层51、半导体晶片52-55以及第一光学系统56的载体。导体层51有多个印制导线57构成，这些印制导线与第二导线25以已经描述的方式利用设计为接合线的第三导线27构成电连接。一些印制导线57通到设置在半导体晶片下面的接触面中，另一些通到在半导体晶片52-55的相对侧上的由接合线构成的焊接连接59中。第一光学系统56由耐高温的透明材料构成，其同时保护半导体晶片52-55的接合线连接59免受外部的机械和化学的影响。
图3中示出了半导体晶片55的不同的组合，其中图3a示出半导体晶片52在发光模块13上的设置，图3b示出两个半导体晶片52、53的设置，图3c示出了三个半导体晶片52-54的设置，图3d示出了四个半导体晶片52-55在第三支承件50上的设置。根据发射特征，以两个、三个、四个为一组示出的设置是特别有利的。根据希望的发射颜色，在图3a中示出的设置时，选择半导体晶片52，其发射白色、红色、绿色或者蓝色的光。因此，除了发射红色和绿色的半导体晶片52、53、54应用到图3b、3c中示出的布置是值得推荐的以外，对于在抬头显示器中的应用，使用红色和绿色都具有特别的人机工程学的优点。在差不多所有的周围光线条件下，这些颜色可以具有更好的可阅读性。如果希望较大的颜色选择，在接受较低的亮度时，也可以选择用于半导体晶片52-55的红色、绿色、蓝色的组合。根据图3d中示出的三个半导体晶片52、53、54的设置，按照抬头显示器的亮度和颜色要求，使用两个发射绿色的半导体晶片52-55是有利的。

Claims (46)

1.一种光源(2)，具有至少一个发光模块(13)和控制模块(12)，该控制模块具有电子控制设备(15)，其特征在于，所述发光模块(13)和所述控制模块(12)分别具有自己的支承件(14、22)，所述发光模块(13)具有第一支承件(22)并且所述控制模块(12)具有第二支承件(14)，并且所述第一支承件(22)和所述第二支承件(14)利用共同的支架(11)互相固定连接在一起，其中，所述发光模块(13)利用第一导线(21)与所述控制模块(12)连接，所述第一导线这样地设计，即所述控制模块(12)和所述发光模块(13)之间由热造成的相对运动通过所述第一导线(21)的变形来毫无损害地吸收。
2.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述第一导线(21)设计为接合线，用于所述发光模块(13)与控制模块(12)的连接。
3.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)具有至少一个半导体晶片(52、53、54、55)，其设置在导体层(51)上，并与所述导体层(51)导电地连接。
4.根据权利要求3所述的光源(2)，其特征在于，所述半导体晶片(52、53、54、55)具有至少0.5瓦特的功率消耗。
5.根据权利要求3所述的光源(2)，其特征在于，所述导体层(51)安装在由陶瓷构成的第三支承件(50)上。
6.根据权利要求5所述的光源(2)，其特征在于，所述陶瓷是导热的混合物。
7.根据权利要求6所述的光源(2)，其特征在于，所述陶瓷为氧化铝陶瓷。
8.根据权利要求5所述的光源(2)，其特征在于，所述陶瓷具有至少5K/W的导热系数，并且是电绝缘体。
9.根据权利要求5所述的光源(2)，其特征在于，所述第三支承件(50)固定在所述第一支承件(22)上。
10.根据权利要求3所述的光源(2)，其特征在于，所述导体层(51)至少部分地由包括银和铂的混合物构成。
11.根据权利要求5所述的光源(2)，其特征在于，所述导体层(51)包括印制导线(57)，所述印制导线利用设计为接合线的至少一条第二导线(25)与所述半导体晶片(52、53、54、55)的远离所述导体层(51)的一侧连接。
12.根据权利要求11所述的光源(2)，其特征在于，所述导体层(51)的印制导线(57)利用第三导线(27)连接到所述第三支承件(50)和所述第二导线(25)之间的接合处，所述第二导线与所述控制模块(12)处于导电连接，并且所述第三导线(27)设计为接合线。
13.根据权利要求11所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)包括多个半导体晶片(52、53、54、55)，并且所述导体层(51)以及连接这样地设计，即至少两个所述半导体晶片(52、53、54、55)可以利用所述印制导线(57)互相独立地被施加有电压。
14.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)包括两个半导体晶片(52、53)，其中，利用第一半导体晶片(52)可发射红色的光，以及利用所述两个半导体晶片中的另一个半导体晶片(53)可发射绿色的光。
15.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)具有四个半导体晶片(52、53、54、55)，其中，利用第一个和第二个半导体晶片(52、53)可发射红色的光，利用第三个和第四个半导体晶片(54、55)可发射绿色的光。
16.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)具有三个半导体晶片(52、53、54)，其中，利用至少一个半导体晶片可发射红色的光，利用至少一个另外的半导体晶片可发射绿色的光。
17.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)包括四个半导体晶片(52、53、54、55)，其中，利用第一和第二半导体晶片(52、53)可发射绿色的光，利用第三半导体晶片(54)可发射红色的光，利用第四半导体晶片(55)可发射蓝色的光。
18.根据权利要求5所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)包括第一印刷电路板，在所述第一印刷电路板上固定有所述第三支承件(50)。
19.根据权利要求18所述的光源(2)，其特征在于，所述第一支承件(22)设计为所述印刷电路板，并且利用平坦的侧面抵靠在所述支架(11)上。
20.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述支架(11)设计为散热体。
21.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述支架(11)由铝构成。
22.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述第二支承件(14)设计为印刷电路板，其利用平坦的侧面抵靠在所述支架(11)上。
23.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述发光模块(13)和/或所述控制模块(12)利用粘接材料固定在所述支架(11)上。
24.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，所述控制模块(12)对应于多个所述发光模块(13)。
25.根据权利要求1所述的光源(2)，其特征在于，在所述控制模块(12)和/或所述发光模块(13)上设置有温度传感器(60、61)。
26.一种用于抬头显示器的成像单元(1)，其具有根据前述权利要求中至少一项所述的光源(2)。
27.根据权利要求26所述的成像单元(1)，其特征在于，在发源于所述光源(2)的光路(5)中顺次设置有第二光学系统(3)。
28.根据权利要求27所述的成像单元(1)，其特征在于，所述第二光学系统(3)包括反射体。
29.根据权利要求28中所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体设计为全反射。
30.根据权利要求29所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体由可透射的聚合物构成。
31.根据权利要求30所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体具有圆锥形的或者角锥形的外部轮廓。
32.根据权利要求29所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体具有入射面(30)和出射面(31)，来自于至少一个所述光源(2)的光入射到所述入射面上，并且光在所述出射面上射出。
33.根据权利要求29所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体发射一个加宽的光束，该光束具有边界面，这些边界面与以光的主传播方向(6)中心地穿过光束的中心轴线构成5°到15°的角度。
34.根据权利要求29所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体的外部轮廓是凸面的。
35.根据权利要求33所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体的外部轮廓设计为在所述主传播方向(6)上加宽的旋转抛物曲面，所述旋转抛物曲面基于五阶多项式。
36.根据权利要求32所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体在所述入射面上具有一个至少部分地容纳在所述发光模块(13)上设置的发光装置(24)的凹进处。
37.根据权利要求36所述的成像单元(1)，其特征在于，所述凹进处具有圆柱形的、平行于中心轴线延伸的侧向的限定轮廓。
38.根据权利要求37所述的成像单元(1)，其特征在于，所述凹进处具有在所述中心轴线的方向上相对于所述光源(2)设置的端面，该端面在所述光源(2)的方向上具有凸起的拱面。
39.根据权利要求28所述的成像单元(1)，其特征在于，所述反射体具有一个对角线尺寸20mm的出射面。
40.根据权利要求38所述的成像单元(1)，其特征在于，所述凹进处具有5mm的对角线尺寸。
41.根据权利要求28所述的成像单元(1)，其特征在于，对应于所述反射体的多个所述发光模块(13)彼此相邻地设置。
42.根据权利要求41所述的成像单元(1)，其特征在于，在所述光路(5)中，在所述反射体的后面设置有公共的光混合模块(4)。
43.根据权利要求42所述的成像单元(1)，其特征在于，相邻于所述光混合模块(4)设置有透明的显示器(9)。
44.根据权利要求43所述的成像单元(1)，其特征在于，所述光混合模块(4)利用光入射面(40)和光出射面(41)箱形地设计，并且具有向内反射的侧壁(42)。
45.根据权利要求43所述的成像单元(1)，其特征在于，在所述发光模块和显示器之间的光路中设置有至少一个镜子(7)，所述镜子折叠所述光路(5)。
46.根据权利要求43所述的成像单元(1)，其特征在于，在所述发光模块(13)和所述显示器(9)之间设置有散射盘(8)。
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