JP5010847B2 - 透明ｌｅｄディスプレイ - Google Patents

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Description

本発明は、車両への応用、特に、自動車への応用において情報提示のための装置に関する。
知られているように、車両は、運転手及び／又は乗員への情報提示のための多くの装置を備えている。前記装置の数および情報内容は、車両システムから到来する情報内容の増加により、ここ数年で常に増加している。
車両応用のディスプレイは、一般に、下記のカテゴリーに分類される。
・運転手の前方で、ダッシュボードまたはインストルメントパネルに配置されたディスプレイであって、次のものを備えるもの。
＊車両の状態に関する情報を伝達するためのバックライト式のアイコン（例えば、ハンドブレーキ、方向指示器、ヘッドライト、フロントライトおよびリアライトの診断、フォグライト、リアフォグライト、エンジンオイル温度、パーキングブレーキ）。
＊燃料レベル、エンジン回転数(r.p.m.)、車両速度、時間などの指示のためのアナログ式ダイアル。
＊英数字の情報（総キロメータ、移動した部分キロメータ、等）のためのバックライト式の液晶ディスプレイ。
＊コンピュータ本体から到来する情報（例えば、平均スピード、平均および瞬間の消費量、自律性(autonomy)、等）を返すためのドットマトリクス方式のバックライト式の液晶ディスプレイ。
・運転手と乗員の間の半分のエリアで、ダッシュボードの中央に配置されたディスプレイであって、典型的には次のものを備えるもの。
＊ＧＰＳナビゲータ（ミディアム−ハイレンジ）から到来する、指示および地図を含む情報を表示するためのアクティブマトリクス方式のバックライト式の液晶ディスプレイ。このディスプレイは、典型的には追加の情報（空調システム、ラジオ／ＣＤ、電話、情報テレマティックス(info-telematics)、コンピュータ本体から到来する巡航情報、等）を提示するために用いられる。
＊前述の代替として、ＧＰＳナビゲータ（ミディアム−ローレンジ）から到来する、地図を除いた情報を表示するためのパッシブマトリクス方式のバックライト式の液晶ディスプレイ。
・ウインドスクリーンまたは運転手とウインドスクリーンの間に設置されたビューワーの上に配置されたディスプレイ。これらのディスプレイは、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）という用語で知られており、下記モードでの返信情報の可能性を供与する。
＊運転手の視野の周辺において、背景にスーパーインポーズするもの。運転手は、運転という第１のタスクを実施しつつ、運転手が視覚情報にアクセスするのに必要な眼／頭の移動、そして運転手が道路から眼を離す時間を減少させる。
＊運転手から一定の距離、典型的には、２ｍから無限遠の範囲にあるもの。これにより情報にアクセスするために、運転手は自分の眼の焦点距離を調節する必要がない。
ＨＵＤは、典型的には、ナビゲーションに関する情報、または車両の安全に重要な情報を返すために使用される。これらは、暗視(night vision)にも使用可能である。
ＨＵＤ方式のディスプレイの使用から導かれる可能性のある人間工学の利点にもかかわらず、これらの普及は、下記の要因によって現在も制限されている。
ｉ． システムのコスト。
ｉｉ． 設置／配列の困難さ。
ｉｉｉ．投影光学系の邪魔物。これは、典型的には、インストルメントパネルのサンバイザーまたは日除けとウインドスクリーンの間で、ダッシュボードに設置される。
ｉｖ． 光源の高い消費。運転手の眼に到達する光が、投影光学系が放射する光の最小の量（画像の輝度(luminance)は、投影光学系からの出力輝度の１０〜２０％に等しい）である限りにおいて。これは、ウインドスクリーンと運転手の間に設置されたウインドスクリーンまたはビューワーなどの反射スクリーンが、視界を妨害しないようにして、道路から到来する光の少なくとも８０％を送信しなければならない点で必要になる。
ｖ． 減少した視角。一定の量（いわゆるヘッドモーションボックス（ＨＭＢ）で定義される）より大きい運転手頭部の移動は、情報が全体または部分的に運転手の視野から出てしまうという意味において。
知られた技術によるＨＵＤシステム（図１に示す例）では、これらの問題の１つ又はそれ以上についての解決方法が他のものの厄介な問題を引き起こす。純粋に例を挙げると、項目ｖで言及したＨＭＢの拡大は、より大きい直径の投影光学の使用につながり、その結果、項目ｉで言及したコストおよび項目ｉｉｉで言及した邪魔物の増加をもたらす。
図１を参照して、画像ソース１００（例えば、マイクロディスプレイ）が放射した光は、第１ミラー１０１および第２ミラー１０２で構成された投影光学系（シュミット(Schmidt)系）によって捕えられ、典型的には車両ダッシュボードに位置決めされた透明な保護ウインドウ１０３を経由して、ウインドスクリーン４０上に投影される。
ミラー１０２は、典型的には、複雑な非球面ミラーであり、その機能は、ソース１００の虚像を生成して（第１ミラー１０１との組合せにより）、ウインドスクリーン４０の非球面性から導入される画像の歪みを補償するものである。
ウインドスクリーン４０は、投影光学系から到来する光のある割合を、運転手の眼に向けて反射する。こうして運転手は、ウインドスクリーンから一定の距離で配置され、背景７０の上に重ね合わされた虚像６０を感知する。この距離は、投影光学系に依存する。
本発明の目的は、項目ｉ，ｉｉ，ｉｉｉ，ｉｖ，ｖで言及した不具合を被ることなく、図１に示した方式のＨＵＤ装置に類似した方式に従って、運転手への情報提示のための装置を提供することである。
この目的は、請求項１記載の透明ディスプレイによって達成される。さらに、好ましく有利な特徴は、従属請求項に記載されている。
図面を参照して、本発明は、透明パネル、即ち、道路から到来する光を少なくとも部分的に（即ち、７０％以上）通過させることができるものを想定しており、これは複数のダイス状のＬＥＤ光源、即ち、半導体ウエハを分割することによって得られる、パッケージ無しの素子を含むもので、前記ＬＥＤ光源は、窓ガラスが嵌められて、適切な制御電子機器によって所定の視覚情報６０を生成するように構成された前記透明インストルメントの上に集積化される。
本発明に係るディスプレイの透明度は、ダイス(dice)状のＬＥＤ光源の使用により、最大になる。ダイス状の前記光源は、実際、ちょうど０．１ｍｍ２の典型的な表面積を有し、前記光源のために、背景の妨害を最小にすることができる。
透明パネルは、典型的には、車両のダッシュボード５０上に設置され、ウインドスクリーン４０に近接して位置決めされたり、あるいはウインドスクリーン自体に貼り付けられる。
本発明に係るディスプレイにおいて、画像６０は、透明パネル上に直接提示され、即ち、実像であり、知られた技術のＨＵＤで生ずるものとは異なっており、画像６０が虚像である。
知られた技術のＨＵＤで生ずるように、本発明に係るディスプレイにおいても、画像６０は、背景７０の上に少なくとも部分的に重なり合って見え、ウインドスクリーン４０を通して運転手に見えるようになる。
提案した解決法の利点は多数あり、上述した項目ｉ，ｉｉ，ｉｉｉ，ｉｖ，ｖを参照しながら下記のように記載する。
Ｉ．装置のコストは、知られた技術の解決法と比較して、減少する。該システムが、ウインドスクリーンの非球面性によって導入される歪みを補償するために典型的に使用される、例えばレンズや非球面ミラーなどの高価な投影光学系を必要としない限りにおいて。
ＩＩ．設置は、スクリーンを、ウインドスクリーンに対応したエリアで、ダッシュボード上に単に位置決めすることによって達成される。また、精巧で複雑な整列手順を必要としない方法で、任意の角度から視認できる。さらに、設置は、前記光学システムの位置決めおよび整列のための精巧な機構の使用を必要としない
ＩＩＩ．設置に必要な邪魔物が、最小になる。システムが、投影の原理に基づかず、パネルからの直接発光に基づいている限りにおいて。設置の邪魔物は、ダッシュボード内に収納されるコネクタおよび可能性のある近接の電子回路に限定される。邪魔物は、知られた技術によるＨＵＤ方式の３〜４リットルと比べて、２００ｍｌより少ない。
ＩＶ．消費レベルが減少する。ＬＥＤ光源が直接に視野に入ること、即ち、ディスプレイの実効輝度がＬＥＤ光源の輝度に近似している限りにおいて。例えば、知られた技術によるＨＵＤ方式を用いて、実効輝度５０００ｃｄ／ｍ２（自動車の仕様により必要になる）を得るためには、全部で１５０ルーメン以上で発光する光源が用いられる。ここで提案する方式は、同じ輝度および視野で、全部で５０ルーメンより少ない使用を可能にする。
Ｖ．ここで提案するＨＭＢ方式は、実用上は制限されない。光源が、均等拡散反射面(lambertian)で発光する限りにおいて。
ディスプレイの透明性は、自動車上にウインドスクリーンを背後にした設置を可能にするものであり、運転手からの距離は、インストルメントパネルに集約された従来のディスプレイの距離より長くなる。このことは、ディスプレイによって生成された画像であっても実像になる（虚像を生成する、知られた技術のＨＵＤとは対照的）ことを意味する。運転手と画像の間の距離は最大になり、運転手の視線が背景からディスプレイに、あるいはその逆で移動する場合に眼の焦点距離の視力調節を低減できる。
典型的には、知られた技術のＨＵＤは、運転手から２〜３ｍの距離での画像を提示する。一方、ここで提案する方式は、１〜１．２ｍの最大距離に到達できる（ウインドスクリーンによる物理的な制約のため）。画像の距離は、視力調節の努力を完全に除外できるほど充分に大きいものではないが、本発明のディスプレイは、画像と背景の重ね合わせを可能にし、運転手の頭部及び／又は視覚情報へのアクセスに必要な眼の回転を最小化できる。後者の観点からは、ここで提案するディスプレイは、知られた技術のＨＵＤと類似していると同時に、項目ｉ，ｉｉ，ｉｉｉ，ｉｖ，ｖで上述した利点を損なわない。
焦点距離は伝統的なＨＵＤより小さいが、背景７０からディスプレイに提示される情報６０への視線移動に必要な焦点距離の変化が使用者側に自発的な活動を意味する限りにおいて、使用者に多大な努力の視力調節を意味する点は、人間工学上の利点を提供するという点に留意すべきである。その代わり伝統的なＨＵＤでは、ディスプレイの画像６０および背景７０は、使用者がほぼ同時に（前記画像６０，７０の視力調節距離間の小さな差によって）焦点を結ぶことが可能であり、このことは次のことを意味する。
・脳が、背景７０の実像面に対応する視覚情報を、画像６０の虚像面に対応するものから連続的に処理し分離する必要性。
・背景７０に関してより明るい又はよりコントラストのある画像６０の存在により（例えば、視界が悪い条件で）、使用者の注意がディスプレイの画像に引かれてしまい、運転という主たる業務への集中力を低減させるというリスク。
上述したように、本発明に係るディスプレイの透明性は、ダイス(dice)状のＬＥＤ光源の使用により最大になる。ダイス状の光源は、ちょうど０．１ｍｍ２という典型的な表面積を有し、前記光源のおかげで背景の妨害を最小化することができる。ダイス状の光源は、チップオンボード（ＣＯＢ）タイプの技術を用いてデバイス内に集積化される。
例えば、透明導電酸化物（ＴＣＯ）からなる透明な導電経路の使用は、デバイスの透明性のさらなる最大化を可能にする。
ＣＯＢ技術は、アレイ状のダイスを適切な下層(underlayer)上に直接に搭載することを含む。この技術は、まず「ダイボンディング」（下層に対するダイの熱接続または電熱(electro-thermal)接続）の用語で知られたプロセスを含み、これはワイヤボンディング（回路に対するチップの電気接続）という可能性ある操作に関連している。ダイボンディングの技術の中でも、フリップチップ法は、電気接続用のワイヤを使用せずに、チップの裏返しと、回路に対するパッドの電熱接続を想定させるものであり、更なるワイヤボンディング処理を除外できる。フリップチップ処理では、パッドの接続が、典型的には金属バンプ（ボール）によって得られる。
最終の工程では、ＣＯＢ処理は、透明である適切な樹脂１”により光源のパッケージまたは外部ストレスからの保護を想定させる。
本発明の変形例によれば、透明な（ガラスまたはプラスチック）上層(overlayer)（１’）の使用が想定される。。この上層１’は、透明樹脂の保護層の平面性を保証する機能を有し、デバイスの透明性を確保するだけでなく、パネルが背景の視界を歪ませたり、及び／又は光学パワーを導入したりしないことを確保している。
この場合、透明樹脂１”は、下層１と上層１’の間でカプセル化された状態にある連続層の形態で成膜される（図９）。
好ましい実施形態では、図４で示すように、該ダイスがマトリクス状に配列され、各ＬＥＤは行３１と列３２の間で交差する点に位置決めされる。この行３１と列３２は、導電材料の経路によって構成され、この行とこの列の間の適当な電位差の印加により個別にアドレス指定が可能になる。
各行は、この行３１とこの列３２の間の交差点３５に対応したエリアにおいて、行３１の上に（例えば、熱蒸着、電子ビーム(e-beam)蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ、スピニング、ディッピングなどの操作により）堆積した電気絶縁材料、例えば、酸化シリコンからなる層１５によって各列から電気絶縁されている。
この層１５の上には、続いて、例えば、金属または透明導電酸化物ＴＣＯなどの導電材料からなる列３２が堆積される。
図５（ａ）〜図５（ｇ）は、一般的な行３１および列３２の間の一般的な交差点に関して異なる変形例の実施形態を図示している。
特に、図５（ｂ）（ｃ）（ｆ）の変形例は、行３１および列３２の両方ともＴＣＯで作製される場合を示している。図５（ａ）の変形例は、行３１および列３２の両方とも金属で作製される場合を示している。図５（ｄ）（ｅ）の変形例は、２つの経路３１，３２のうちの一方がＴＣＯで作製され、他方が金属で作製される場合を示している。
経路がＴＣＯで作製される場合、この経路とダイ(die)の間の電気接続の操作は、これがダイ取り付け、ワイヤボンディングまたはダイボンディング（フリップチップ法）の操作であろうと、ＴＣＯの経路上に、ダイまたはワイヤの接着を改善するための金属パッドの成膜を必要とすることに留意する。
図５（ｆ）の変形例は、ダイが、水平な電極、即ち、ダイの同じ面に両方の電極を持つタイプである場合を示し、このタイプのダイスの集積化は２つの方法により得られる。
ｉ．上面での電極。電極は、ワイヤボンディングの操作によって経路に接続される。
ｉｉ．底面での電極（フリップチップ法）。電極は、導電性バンプを用いてダイボンディングの操作によって経路に接続される。
図５（ｆ）の変形例は、項目ｉ）に記載された場合を示す。前記方式の各々について、ＬＥＤへの接続に関して、列および行がそれぞれの機能を交換するような変形例を採用することも可能である。（例えば、方式ａ）の場合、ＬＥＤを列３２の上に位置決めし、金ワイヤにより行３１に接続することが可能である。）
図６，７，８に示す更なる実施形態において、ＬＥＤは、マトリクス配置（即ち、個別にアドレス指定可能なもの）で配列しないで、グループ単位でアドレス指定可能であり、各グループのＬＥＤは、並列（図７）または直列（図８）で電気接続されている。
図６は、本発明に係るディスプレイに提示可能な画像の例を示す。各セグメント（３１，３２，３３，３４，３７，３８，３９）は、並列（図７）または直列（図８）で電気接続された１組のＬＥＤを表す。
図７に示す実施形態では、各セグメント（３１，３２）は独立した方法でアドレス指定可能であり、一対のパラレル経路で構成され、その一方はパラレルＬＥＤの同じタイプの電極（例えば、カソード）に電気接続され、他方は他のタイプの電極（例えば、アノード）に電気接続されている。２つ又はそれ以上のセグメント間の交差点３５では、異なるセグメントに属する経路を電気絶縁する必要がある。これは、本発明に従って、交差点３５において、電気絶縁材料からなるパッド１５を、前記セグメントのうちの１つの経路３２上に堆積させることによって得られ、続いて、その上に第２の前記セグメントの経路３１を堆積する。
図８は、両方のセグメントが、直列接続された１組のＬＥＤによって構成される場合の変形例を示す。２つのセグメント間の交差点３５では、第１セグメントの経路３１と第２セグメントの経路３２の間の電気絶縁は、図７を参照して記載したものと類似した方法によって得られる。
再び図６を参照して、セグメント３１，３２，３３，３４，３７，３８，３９を得るために用いられるＬＥＤの数が少ないほど、画像の前記セグメントの見映えがより点々(dashed)になることは明白である。
ＬＥＤ光源の数を制限すると同時に、画像の点々になる見映えの影響を低減するために、前記発明の変形例（図９と図１０）によれば、下層１及び／又は上層１’の外表面で、ダイスと対応するエリアに、ダイスの接続ラインに沿って適当な微小凹凸(micro-indentation)３６を設けることが提案される。この微小凹凸３６は、下層１から及び／又は上層１’から光を取り出して、光の点を連結し、連続ラインの形状で画像を生成するという機能を有する。
上記の効果は、ボンディング操作の接着を改善する目的でＴＣＯからなる経路上に堆積した金属パッドによって（あるいは、前記経路がＴＣＯの代わりに金属で作製される場合に、光源を接続する導電性経路３０によって直接に）増強することができる。実際、前記パッドは、ダイの側面で放射される光の一部を反射する傾向がある。こうして反射した光は、微小凹凸３６に衝突して、光源の有効寸法を増加させる。
採用可能な更なる方式は、保護樹脂１”を、種々のＬＥＤチップを接続する経路の形状に成膜することである。ＬＥＤチップが放射した光は、前記樹脂経路によって部分的にトラップされ（光ガイド効果）、続いて、前記樹脂経路の表面あるいは上層１’が用いられる場合はその上層の表面に作製され、意図的に設けた微小凹凸３６によって取り出される。
前記微小凹凸３６は、ダイスの接続ラインに対して垂直な軸を持つシリンドリカルマイクロレンズ（図１０ａ）や、ダイスの接続ラインに対して垂直な軸に沿って作製された概略的な溝（図１０ｂ）、チップの接続ラインに対して垂直な軸を持つシリンドリカルレンズ（各チップに１つずつ）（図１０ｃ）等の形状でも構わない。微小凹凸３６はまた、単に、例えば、ＬＥＤが放射する光を拡散するための大きな粗さを持つ面であってもよい。
本発明の更なる変形例によれば、画像が点々になる見映えの前記影響は、ＬＥＤ光源の密度、即ち、単位長さ当りのダイスの数を用いて低減または除去でき、使用者の眼に関する２つの光源の間の角度セパレーション(separation)は、眼の角度分解能に匹敵する。
例として、ディスプレイが運転手から１ｍの距離に設置され、２つの隣接するダイス間の距離が０．３ｍｍ、即ち、ダイの寸法に相当する場合、ＬＥＤ間の角度セパレーションは、おおよそ１分の角度であり、網膜の中心窩(fovea)における眼の分解能に等しい。
一方、３分の角度まで角度的に分離した点を眼がどのようにして併合するかは知られており、これにより画素間のスペースを１ｍｍまでに増加させることは可能であり、必要な光源の数を３のファクターまで減少させることができる。
知られた技術を示す説明図である。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。 本発明に係るディスプレイの種々の変形例を示す。
符号の説明
１ 下層
１’ 上層
１” 透明樹脂
３１，３２，３３，３４，３７，３８，３９ セグメント
３５ 交差点
３６ 微小凹凸
４０ ウインドスクリーン
５０ ダッシュボード
６０ 画像
７０ 背景


Claims (7)

  1. 運転手及び／又は乗員への情報提示に使用される、自動車用の透明ディスプレイデバイスであって、
    使用者に提示される情報（６０）の少なくとも一部が背景（７０）と重なり合うように、自動車のウインドスクリーン（４０）の上で少なくとも部分的に重なり合う透明な下層（１）を備え、前記背景（７０）は、前記ウインドスクリーン（４０）を通じて使用者に視認できるものであり、
    さらに、透明な下層（１）の上に堆積され、制御電子回路に接続された一連の導電経路（３０）によって、グループごとにアドレス指定可能な複数のＬＥＤ光源（２）を備え、
    前記ＬＥＤ光源（２）は、半導体ウエハを分割することによって得られる、パッケージ無しのダイス形状の素子で集積化され、
    前記ＬＥＤ光源は、チップオンボード（ＣＯＢ）タイプの技術を用いて前記下層（１）の上に集積化され電気接続されており、
    前記ＬＥＤ光源はグループごとに配列され、全く同一のグループに属するＬＥＤは、曲線、直線または破線からなるセグメント（３１，３２，３３，３４，３７，３８，３９）を形成するように、直列に電気接続されており、
    同じセグメントに属する導電経路は、複数の分離した経路部を含み、各経路部は、関連する経路部の上に付着した下側電極と、続くパッド部へのワイヤボンディングによって接続された上側電極とを備えたＬＥＤ光源を有し、
    異なるセグメントに属する導電経路（３１，３２）は、交差点で互いに重なり合っており、
    電気絶縁パッド（１５）が、前記交差点において前記導電経路（３１，３２）の間に介在しており、
    前記ＬＥＤ光源（２）は、透明樹脂（１”）によって外部ストレスから保護されており、
    前記透明樹脂（１”）の上には、透明な上層（１’）が接合しており、
    上層（１’）の表面には、隣接するＬＥＤ光源（２）間の接続ラインに対応するエリアに微小凹凸（３６）が作製されていることを特徴とするデバイス。
  2. 前記導電経路（３０）は、透明導電酸化物ＴＣＯで作製されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  3. 前記導電経路（３０）は、金属で作製されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  4. 前記透明樹脂（１”）は、連続層の形態で成膜されることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  5. 前記微小凹凸は、前記接続ラインに対して垂直な軸を持つシリンドリカルレンズの形状であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  6. 前記微小凹凸は、回転対称性を持つマイクロレンズの形状であり、各マイクロレンズは、前記下層（１）に対して垂直であって、前記ＬＥＤ光源（２）のうちの１つの中心を通過する軸を有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  7. 前記微小凹凸は、前記接続ラインに対して垂直な軸に沿って作製された溝の形状であることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
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