CN1855482A - 透明发光二极管显示器 - Google Patents

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Abstract

这里描述了一种用于机动车的透明显示器件，其用于呈现信息给驾驶员和/或乘客，所述器件包括多个LED源(2)，所述多个LED源可以通过沉积在透明底层(1)上并连接到控制电子线路的一系列导电路径(30)一个一个单独地或按组寻址，其中：i)所述LED源(2)以管芯即通过分割半导体晶片并且不进行封装而得到的元件形式被集成；ii)所述管芯通过板上芯片(COB)型技术被集成在并电连接到所述底层上；以及iii)所述透明底层1被预先设置成至少部分地叠加在机动车的挡风玻璃(40)上，这样，呈现给用户的至少部分信息(60)叠加在背景(50)上，所述背景(50)是用户通过所述挡风玻璃(40)可看到的。

Description

透明发光二极管显示器
技术领域
本发明涉及在机动车应用，具体地说是汽车应用中用于呈现信息的器件。
背景技术
正如已知的，机动车包括许多用于呈现信息给驾驶员和/或乘客的器件；由于来自机动车系统的不断增加的信息内容，因此所述器件的数目和信息内容近年来不断增加。
用于机动车应用的显示器通常被分类为以下的种类：
-设置在驾驶员前面的仪表板或仪表盘上的显示器；这些显示器包括：
-背光图标，用于通知有关机动车的状态的信息(例如：手制动器、方向指示器、头灯、前灯和后灯的诊断、雾灯、后雾灯、引擎-油温度、停车制动器)；
-用于指示油位、引擎r.p.m.、机动车速度、时间等等的模拟标度盘；
-背光液晶显示器，用于字母数字信息(总的公里数、行驶的局部公里数等等)；
-点矩阵型的背光液晶显示器，用于返回来自车身计算机的信息(例如，平均速度、平均和瞬时消耗、自主性等等)；
-设置在驾驶员与乘客中间区域中的仪表板的中心处的显示器；这些显示器一般包括：
-有源矩阵型背光液晶显示器，用于显示来自GPS导航器(中高距离范围)的信息，包括指示和地图；相同的显示器一般用于呈现附加信息(空调系统、收音机/CD、电话、信息通信(infotelematics)、来自车身计算机的巡航信息等等)；
-替换地，无源矩阵型背光液晶显示器，用于显示来自GPS导航器(中低距离范围)的信息，不包括地图；
-设置在挡风玻璃上或在驾驶员与挡风玻璃之间设置的观察器上的显示器；这些显示器通称为抬头显示器(或HUD)并提供返回以下模式的信息的可能性：
-在驾驶员执行主要的驾驶任务时，叠加在驾驶员的视场周围的背景上；这减少了驾驶员为了看见图像信息所需的眼睛/头的运动，因此减少了驾驶员眼睛离开道路的时间；
-在离驾驶员一定的距离处，一般范围从2米到无穷远，这样，驾驶员不必调节他的眼睛的焦距来接入该信息。
-HUD一般用于返回有关导航的信息或对于机动车安全性关键的信息；它们也可以用于夜间观察。
虽然使用HUD型显示器可能会得到人机控制的优势，但当前它们的普及受以下因素限制：
i.系统成本；
ii.安装/对准的困难；
iii.一般安置在仪表盘的遮光板或遮阳板与挡风玻璃之间的仪表板中的投影光学系统链的阻碍；
iv.就到达驾驶员的眼睛的光来说，光源的高消耗仅仅是由投影光学系统链发射的光的最小部分(图像的亮度等于来自投影光学系统链的输出的亮度的10-20％)；这是以下事实所必需的，即反射屏，无论是挡风玻璃还是设置在挡风玻璃与驾驶员之间的观察器都必须透射来自道路的至少80％的光，以便不遮挡视线；
v.在驾驶员头部移动大于一定的量(由所谓的头部运动方块或HMB限定)会导致信息全部或部分超出驾驶员的视场的意义上，可视角度降低。
在按照已知技术的HUD系统中(其例子在图1中示出)，这些问题中的一个或多个的解决方案带来另外的问题的复杂性；仅仅作为例子，HMB的放大(参考第v点)需要使用更大的直径的投影光学系统，结果成本增加(参考第i点)以及阻碍增大(参考第iii点)。
参照图1，由图像源100(例如，微显示器)发射的光被由第一反射镜101和第二反射镜102制成的投影光学系统(Schmidt系统)获取，并且通过一般位于机动车仪表板上的透明保护窗103被投射到挡风玻璃40上。
反射镜102一般是复杂的非球面反射镜，它的功能是生成源100的虚拟图像(与第一反射镜101组合)和补偿由挡风玻璃40的非球面性造成的图像失真。
挡风玻璃40把来自投影光学系统的一部分光反射到驾驶员的眼睛。这样，驾驶员看见位于离挡风玻璃一定距离处并叠加在背景70上的虚拟图像60，所述距离取决于投影光学系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于按照类似于图1所示的那种HUD器件的方式呈现信息给驾驶员的器件，它不具有第i、ii、iii、iv和v点中所涉及的缺点。
所述目的是通过按照权利要求1的透明显示器实现的。另外的优选和有利特性在附属权利要求中被指出。
附图说明
现在将参照附图描述本发明，其中：
-图1显示上述的已知技术；以及
-图2-10显示按照本发明的显示器的不同变例。
具体实施方式
参照附图，本发明设想了一种透明板，即能够透射来自道路的至少一部分光(即，大于70％)，其包括管芯，即通过分割半导体晶片并且没有进行封装而得到的元件形式的多个LED源，所述LED源集成在所述透明仪表盘上并被组织，以便通过适当的控制电子线路生成预定的图像信息60。
按照本发明的显示器的透明度由于使用管芯形式的LED源而被最大化；所述管芯形式的源实际上具有典型的仅仅0.1mm2的表面积，这使得有可能将由于所述源造成的背景的阻碍最小化。
透明板一般安装在机动车的仪表板50上，并放置在挡风玻璃40附近，或替换地粘贴在挡风玻璃上。
在按照本发明的显示器中，图像60直接呈现在透明板上，即是真实图像，这与在已知技术的HUD中所出现的不同，其中图像60是虚拟的。
正如在已知技术的HUD中出现的，在按照本发明的显示器中，图像60也呈现为至少部分地叠加在驾驶员通过挡风玻璃40可看到的背景70上。
所提出的解决方案的优点是多方面的，并且参考上述i、ii、iii、iv和v点描述如下。
I.就系统不需要一般用于补偿由挡风玻璃的非球面性引起的失真的、诸如透镜和非球面反射镜之类的成本高的投影光学系统来说，与已知技术的解决方案相比较，该器件成本降低。
II.安装通过简单地把屏幕放置在相应于挡风玻璃的区域中的仪表板上来实现，并且可从任何角度看见，这样，不需要精密和复杂的对准过程；而且，安装不需要使用精密的机械装置来定位和对准所述光学系统；
III.就系统不是基于投影的原理而是基于从板直接发射来说，安装必不可少的阻碍是最小的；安装的阻碍因此限于连接器和装在仪表板中的可能接近的电子线路；与按照已知技术的HUD解决方案的3-4升相比，该阻碍小于200毫升。
IV.就LED源被直接观看来说，消耗水平减小；即显示器的有效亮度接近于LED源的亮度；作为例子，为了用按照已知技术的HUD解决方案得到5000cd/m2的有效亮度(如根据汽车技术规格所需的)，使用了发射总共超过150流明的源；假设亮度和视场相同，这里提出的解决方案能够实现总共小于80流明的使用；以及
V.就源以朗伯(lambertian)方式进行发射来说，这里提出的解决方案的HMB实际上是无限制的。
显示器的透明度使能在机动车上面对挡风玻璃安装，因此，离驾驶员的距离大于集成在仪表盘中的传统显示器的距离。这意味着，即使显示器生成的图像是真实的(与生成虚拟图像的已知技术的HUD相反)，驾驶员与图像之间的距离仍被最大化，所以当驾驶员的眼光从背景移动到显示器时减小眼睛的焦距调节，反之亦然。
一般，已知技术的HUD在离驾驶员2-3米的距离处呈现图像，而这里提出的解决方案使能达到1-1.2米的最大距离(由于由挡风玻璃施加的实际限制的原因)。虽然图像的距离不够大，无法完全消除调节工作，但本发明的显示器能把图像叠加在背景上，以便将接入图像信息所必需的驾驶员的头和/或眼睛的旋转最小化。从后者看来，这里提出的显示器类似于已知技术的HUD，同时不违背以上I、II、III、IV、V点中所描述的优点。
应当注意，就对于把眼光从背景70移动到显示器上呈现的信息60所必需的焦距的改变暗示部分用户的自愿行动来说，焦距小于传统的HUD的焦距的事实虽然暗示对于用户存在更多的调节工作，然而该事实无论如何都表现出人机控制的优点；代替地，在传统的HUD显示器中，用户可以几乎同时聚焦到显示器的图像60和背景70(由于所述图像60和70的调节距离之间的差小的原因)，这意味着：
-需要人脑处理和不断地区分开相应于背景70的真实平面的图像信息和相应于图像60的虚拟平面的图像信息；以及
-存在这样的风险：在存在相对于背景70更明亮或具有更大的对比度的图像60的情形下用户的注意力被显示器的图像吸引，因此降低了他对于主要的驾驶任务的集中力。
正如以前已经提到的，由于使用管芯形式的LED源，因此按照本发明的显示器的透明度被最大化。管芯形式的源具有典型的仅仅0.1mm2的表面积，这使得有可能将由于所述源造成的背景阻碍最小化。管芯形式的LED源使用板上芯片(或COB)型技术集成在器件上。
例如由透明导电氧化物(TCO)制成的透明导电路径的使用，使得器件的透明度能够进一步最大化。
COB技术包含把管芯阵列直接安装在适当的底层上。所述技术首先包括通称为“管芯接合”的工艺(管芯热连接或电-热连接到底层)，与其有关的是可能的线接合操作(芯片电连接到电路)。在管芯接合技术中，倒装芯片方法设想把芯片倒置并把它的衬垫电热连接到电路上而不使用用于电连接的线，因此排除了进一步的线接合工艺。在倒装芯片工艺中，衬垫的连接一般通过金属凸点(球)实现。
作为最后的步骤，COB工艺设想通过也是透明的适当的树脂1″来封装或保护源免受外部应力。
按照本发明的变例，设想使用透明(玻璃或塑料)覆盖层(1′)；所述覆盖层1′具有保证透明树脂保护层的平面性，不仅仅为了保证器件的透明性，而且也保证板不造成背景的图像失真和/或不引入光功率。
在这种情形下，透明树脂1″以在底层1和覆盖层1′之间保持密封的连续层的形式被沉积(图9)。
在图4示出的优选实施例中，管芯排列成矩阵结构，其中每个LED放置在行31与列32之间的交叉点处，所述行31和列32由导电材料的路径构成，这样，可以通过在所述行与所述列之间施加适当的电位差来一个一个单独地寻址。
通过把例如氧化硅的电绝缘层材料层15沉积在相应于所述行31和所述列32之间的交叉点35的区域中的所述行31上(例如，通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、CVD、旋涂、浸渍操作等等)，各行与各列电绝缘。
随后沉积在所述层15上的是由导电材料例如金属或透明导电氧化物TCO构成的列32。
图5a)、b)、c)、d)、e)、f)和g)显示在普通行31与列32之间的普通交叉点35处的不同变例实施例。
具体地，变例b)、c)和f)显示其中行31和列32都是由TCO制成的情形。变例a)表示其中行31和列32都是由金属制成的情形。变例d)和e)表示其中两条路径31、32中的一条由TCO制成，以及另一条由金属制成的情形。
应当注意，在路径由TCO制成的情形下，所述路径与管芯之间的电连接操作，无论这是管芯附着、线接合还是管芯接合(倒装芯片技术)操作，都需要把金属衬垫沉积在TCO的路径上，以便改善管芯或线的粘附性。
变例f)表示其中管芯是水平电极的类型，即两个电极在管芯的同一个面上；这种类型的管芯的集成可以以两种方式实现：
i.电极在顶表面上：利用线接合操作把电极连接到路径上；以及
ii.电极在底表面上(倒装芯片技术)：利用使用导电凸点的管芯接合操作把电极连接到路径上。
变例f)表示在点i)中描述的情形。对于每个所述解决方案，还有可能采用其中列和行在连接到LED方面交换它们的功能的变例(例如，在解决方案a)的情形下，LED可放置在列32上并通过金线连接到行31)。
在图6、7和8所示的另一个实施例中，LED没有排列成矩阵结构(即，可一个一个单独地寻址)，而是可按组寻址，并且每个组的LED并联(图7)或串联(图8)地电连接在一起。
图6显示在按照本发明的显示器上可以呈现的图像的例子。每个段(31，32，33，34，37，38和39)代表并联(图7)或串联(图8)地电连接的一组LED。
在图7所示的实施例中，每个段可以以独立的方式寻址并由一对平行路径构成，其中一个电连接到并联LED的同一种类型的电极(例如，阴极)，而另一个电连接到另一种类型的电极(例如，阳极)。在两个或多个段之间的交叉点35处，有必要电绝缘属于不同段的路径。按照本发明，这通过在交叉点35处把电绝缘材料衬垫15沉积在所述段的其中之一的路径32上，并且随后在其上沉积第二个所述段的路径31来实现。
图8给出一个变例，其中两个段都由串联连接在一起的LED组构成。在两个段之间的交叉点35处，以类似于参照图7描述的方式实现第一段的路径31与第二段的路径32之间的电绝缘。
再次参照图6，显然，用于得到段31，32，33，34，37，38和39的LED的数目越小，图像的所述段的外观将是越多的虚线。
为了限制LED源的数目，同时减小图像的虚线外观的这种效应，按照所述发明的变例(图9和10)，目的是在底层1和/或覆盖层1′的外部表面上在相应于管芯的区域中提供沿管芯的连接线的适当的微压痕36，所述微压痕36具有从底层1和/或从覆盖层1′提取光的功能，以便连接各个光点并生成连续线形式的光图像。
上述效应可以借助沉积在由TCO制成的路径上以便改进接合操作的粘附性的金属衬垫来进一步加强(或者在其中所述路径由金属而不是由TCO制成的情形下直接借助连接各个源的导电路径30)。事实上，所述衬垫往往反射由管芯的侧面发射的光的一部分；这样反射的光照射到微压痕36上，这引起源的有效尺寸的增加。
可以采用的另一个解决方案是以连接各个LED芯片的路径的形式沉积保护性树脂1″。由LED芯片发射的光因此部分被所述树脂路径捕获(光导效应)，随后被在所述树脂路径的表面上，或者在其中使用覆盖层1′的情形下在所述覆盖层的表面上制成的有目的地提供的微压痕36提取。
所述微压痕36可以是以下的形式：具有垂直于管芯的连接线的轴的圆柱形微透镜(图10a)，沿垂直于管芯的连接线的轴制成的普通凹槽(图10b)，或具有垂直于芯片的连接线的轴的圆柱形透镜(每个芯片一个)(图10c)。微压痕36也可以只是具有高粗糙度的区域，以便散射由LED发射的光。
按照本发明的另一个变例，图像的所述虚线外观效应可以使用密集的LED源，即每单位长度多个管芯来减小或消除，这样，相对于用户的眼睛在两个源之间的角距是可以与眼睛的角分辨率相比较的。
作为例子，如果显示器被安装在离驾驶员1米的距离处，以及在两个相邻管芯之间的距离是0.3毫米，即可与管芯的尺寸相比，则各LED之间的角距看起来为大约1弧分，等于在凹处的眼睛的分辨率。
然而，已经知道，眼睛易于合并角距高达3弧分的各点，这使得在像素之间的间隔能够增加到1毫米，因此使所需的源数目减小了3倍。

Claims (29)

1.一种用于机动车的透明显示器件，其用于呈现信息给驾驶员和/或乘客，所述器件包括多个LED源(2)，所述多个LED源可以通过沉积在透明底层(1)上并连接到控制电子线路的一系列导电路径(30)一个一个单独地或按组寻址，所述器件的特征在于：i)所述LED源(2)以管芯即通过分割半导体晶片并且不进行封装而得到的元件形式被集成；ii)所述管芯使用板上芯片(COB)型技术被集成在并电连接到所述底层上；以及iii)所述透明底层(1)被预先设置成至少部分地叠加在机动车的挡风玻璃(40)上，这样使得呈现给用户的至少部分信息(60)叠加在背景(50)上，所述背景(50)是用户通过所述挡风玻璃(40)可看到的。
2.按照权利要求1的器件，其特征在于，所述LED源(2)排列成矩阵结构，其中每个LED放置在行(31)与列(32)之间的交叉点处，这样，可以通过在所述行(31)与所述列(32)之间施加适当的电位差来一个一个单独地寻址。
3.按照权利要求1的器件，其特征在于，所述LED源排列成组的结构，其中属于同一个组的LED被并联地电连接，以便形成曲线、或直线、或虚线的段(31，32，33，34，37，38，39)。
4.按照权利要求3的器件，其特征在于，每个所述段(31，32，33，34，37，38，39)由一对基本平行的路径构成，其中一个电连接到所述LED组之一的同一种类型的电极例如阴极上，而另一个电连接到另一种类型的电极例如阳极上。
5.按照权利要求1的器件，其特征在于，所述LED源排列成组的结构，其中属于同一个组的LED被串联地电连接，以便形成曲线、或直线、或虚线的段(31，32，33，34，37，38，39)。
6.按照权利要求1-5中的任何一个的器件，其特征在于，所述导电路径(30)由透明导电氧化物(TCO)制成。
7.按照权利要求1-5中的任何一个的器件，其特征在于，所述导电路径(30)由金属制成。
8.按照前述权利要求中的任何一个的器件，其特征在于，管芯形式的所述LED源(2)借助于透明树脂(1″)被保护免受外部应力。
9.按照权利要求8的器件，其特征在于，所述透明树脂(1″)以连续层的形式被沉积。
10.按照权利要求8的器件，其特征在于，所述透明树脂(1″)以路径的形式被沉积，每个所述路径连接属于同一个图像段的管芯组。
11.按照权利要求9的器件，其特征在于，接合在所述透明树脂(1″)上的是透明覆盖层(1′)，所述覆盖层(1′)用于保证透明树脂(1″)的保护层的平面性，采用这种方式以便保证器件不造成背景(70)的图像失真和/或不引入光功率。
12.按照前述权利要求中的任何一个的器件，其特征在于，管芯形式的所述LED源(2)是垂直电极型，即电极在管芯的两个相对的面上。
13.按照前述权利要求中的任何一个的器件，其特征在于，管芯形式的所述LED源(2)是水平电极型，即电极在管芯的同一个面上。
14.按照权利要求13的器件，其特征在于，管芯形式的所述LED源(2)以倒装芯片结构集成在底层(1)上，所述倒装芯片结构即电极在管芯面向底层的面上。
15.按照前述权利要求中的任何一个的器件，其特征在于，在底层(1)和/或覆盖层(1′)的表面上在相应于相邻管芯之间的连接线的区域中制作微压痕(36)，这样，当所述管芯接通时用户可看见的光的点通过用户也可看见的光的段被连接。
16.按照权利要求15的器件，其特征在于，用户感觉到的光图像呈现为曲线的、或直线的、或虚线的段分布。
17.按照权利要求15的器件，其特征在于，所述微压痕采用具有垂直于所述连接线的轴的圆柱形透镜的形式。
18.按照权利要求15的器件，其特征在于，所述微压痕采用旋转对称的微透镜的形式，每个微透镜具有垂直于所述底层(1)并穿过所述管芯的其中一个的中心的对称轴。
19.按照权利要求15的器件，其特征在于，所述微压痕采用沿垂直于所述连接线的轴制作的凹槽的形式。
20.按照前述权利要求中的任何一个的、用于机动车的透明显示器，其特征在于，它被设计成安装在与挡风玻璃相邻的机动车的仪表板(50)上，这样，呈现给驾驶员的图像(60)至少部分地叠加在背景(70)上，所述背景(70)是驾驶员通过机动车的挡风玻璃(40)可看见的。
21.按照权利要求1-19中的任何一个的透明显示器，其特征在于，所述显示器件被设计成粘接在机动车的所述挡风玻璃(40)上。
22.按照权利要求20或权利要求21的透明显示器，其特征在于，所述显示器用于把有关导航，具体来说是指示和箭头的图像呈现给用户。
23.按照前述权利要求中的任何一个的显示器，其特征在于，它使用不同颜色的LED源。
24.按照前述权利要求中的任何一个的显示器，其特征在于，管芯形式的所述LED源(2)相对于用户的眼睛有角度地分开了小于3弧分的角度。
25.按照前述权利要求中的任何一个的显示器，其特征在于，所述LED源的亮度高于3000cd/m2。
26.按照前述权利要求中的任何一个的显示器，其特征在于，该显示器的透射率高于60％。
27.一种机动车，其特征在于，它包括按照前述权利要求中的任何一个的透明显示器。
28.按照权利要求27的机动车，其特征在于，所述透明显示器安装在与挡风玻璃相邻的仪表板上。
29.按照权利要求27的机动车，其特征在于，所述透明显示器粘接在挡风玻璃上。
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