光源装置和包括该光源装置的平视显示装置 【技术领域】
本发明涉及光源装置和包括该光源装置的平视(head-up)显示装置。
背景技术
传统的汽车和飞行器包括平视显示器(HUD)，其显示从各种测量仪器(例如，速度计或油量表)接收的显示信息、用于导航装置的地图信息以及由图像捕获装置捕获的图像信息。
例如，车辆上的平视显示装置包括光源、液晶显示(LCD)面板、分色镜以及全息反射镜，它们被安装在车辆的仪器面板后面。显示在液晶显示面板上的各项信息被分色镜和全息反射镜反射，由此将光学信息投射在车辆的部分窗户上或者投射在设置在驾驶员前方位置处的反射层上。以这样的方式，可以将各项信息显示为虚像，这使得驾驶员能够在不改变他或她的视线方向的情况下可视地识别信息。
此外，已经提出了一种平视显示器，其使用有机电致发光(EL)面板或者其中将有机电致发光元件布置成行和列的矩阵的发光面板(参见日本专利申请公开H11-67448)。根据视频数据信息驱动有机EL面板的有机EL元件发光。因此，使用有机EL元件的平视显示器具有高亮度，不需要单独的光源。另外，平视显示器结构简单、重量轻，因此有助于小型化。有机EL面板包括由在玻璃基板上依次排列的介质镜、透明电极、空穴传输层、发光层和金属电极构成的薄膜。在薄膜上放置另一玻璃基板，使得该薄膜夹在两个玻璃基板之间并且通过使用紫外线固化树脂来密封从而与环境隔离。
由于有机EL元件自身发光，因此传统的平视显示装置不需要单独的光源。为了在反射层上显示信息，要求有机EL面板高亮度地显示信息。不幸的是，如果将高电压施加到有机EL元件或者使大电流流过有机EL元件，则有机EL元件通常在短时间内会失去它们的亮度。
另外，有机EL面板具有夹在两个玻璃基板之间并用树脂密封的薄膜。因此，面板安装到平视显示装置时，玻璃表面直接结合(bond)到用于牢固地安装面板的平视显示器的机架，或者结合到支架，支架继而被固定到装置的机架。然而，玻璃基板的结合表面区域对冲击或震动敏感，因此有机EL面板通常在固定到机架之前被损坏。
【发明内容】
本发明的目的是解决上述传统装置的缺点。
本发明的另一目的是提供有助于小型化的光源装置以及使用该光源装置的平视显示器。
本发明的又一目的是提供一种平视显示器，在其中发光二极管的薄膜由无机材料形成并且以矩阵形式整体地布置在金属基板上。
本发明的还一目的是提供一种平视显示器，其在组装期间不容易受到损坏，具有简单的结构并且具有长寿命和高亮度。
光源装置发射光图像信息。反射层(25)形成在平坦化膜(16)上，该平坦化膜形成在金属基板(12)上。LED薄膜(11、31)被布置成矩阵，该矩阵具有在第一方向延伸的列和在垂直于第一方向的第二方向延伸的行，该LED薄膜通过分子间力结合到反射层(25)。第一布线(wire)(23)连接到LED薄膜的第一电极。第二布线(24)连接到LED薄膜的第二电极。第一驱动电路(17)经由多个第一布线(23)选择性地电驱动布置在行中的LED薄膜。第二驱动电路(18)经由多个第二布线(24)选择性地电驱动布置在行中的LED薄膜。
平视显示装置包括上述的光源装置。平视显示装置包括分色镜(2a、2b)、全息反射镜和反射层(6)。分色镜(2a、2b)反射由光源装置发射的光。全息反射镜将由分色镜反射的光反射到反射层(6)。反射层(6)包括全息光学元件，全息光学元件的反射角根据光的波长而改变。反射层(6)将光反射向观看者。
从下文中给出的详细描述中本发明的更多的应用范围将变得清楚明白。然而，应当理解，该详细描述和具体实例虽然指出了本发明的优选实施例，但是其仅仅作为示例而给出，因为从该详细描述中本领域技术人员将清楚明白在本发明范围内的各种改变和修改。
【附图说明】
从下文中给出的详细描述和附图中将会更充分地理解本发明，该附图仅仅作为示例而给出因此并不限制本发明，并且在附图中：
图1示出了第一实施例的平视显示装置的配置；
图2示出了第一实施例的光源装置的总体配置；
图3是光源装置的电路配置的示意图；
图4是沿着图5地线A-A截取的LED阵列11的截面图；
图5是LED阵列的局部放大图；
图6是沿着图5的线B-B截取的LED阵列的截面图；
图7是第二实施例的光源的LED阵列的一部分的放大图；以及
图8是第三实施例的光源装置的LED阵列的放大图。
【具体实施方式】
下面参考附图详细描述本发明。
第一实施例
图1示出了第一实施例的平视显示装置1的配置。
参考图1，平视显示装置1包括光源装置10、分色镜2、全息反射镜4和反射层6。
平视显示装置1通常用于汽车和飞行器中，用来显示从各种测量仪器(例如速度计和油量表)获得的物理量信息、用于导航装置的地图信息以及由图像捕获装置捕获的图像信息。平视显示装置1还可以用于任何显示目的。为了说明的方便起见，将按照显示如下信息的显示装置来描述平视显示装置1：从各种测量仪器(例如速度计和油量表)获得的物理量信息、用于导航装置的地图信息和导向信息、由图像捕获装置捕获的关于车周边的信息、以及由各种视频设备(例如，电视接收机、DVD播放器、录像带播放器)显示的图像信息。
光源装置10、分色镜2和全息反射镜4设置在仪器面板7(即，车辆的仪表板(dashboard))内部。反射层6设置在位于仪器面板7上方的透明挡风玻璃5的内表面上。参考图1，分色镜2包括光学镜2a和2b。或者，分色镜2可以是单个光学镜、三个或更多光学镜的组合或者光学棱镜。
当平视显示装置1由控制装置(未示出)驱动时，光源装置10发出光学图像(例如，“80km/h”)。光学图像或光被分色镜2反射，然后进入全息反射镜(hologram mirror)4。全息反射镜4是所谓的全息透镜(holographic lens)并且反射由光源装置10发射的光。然后，光离开全息反射镜4并且照射反射层6。
反射层6是所谓的合成器(combiner)，并且包括全息光学元件，全息光学元件的反射角根据光的波长而改变。反射层6将由全息反射镜4反射的光反射向驾驶员的眼睛3。
光源装置10发射图像光，该图像光在挡风玻璃5前方位置处在车辆驾驶员的视线内形成虚像8。因此，驾驶员能够识别各项信息，例如，图1所示的“80km/h”。
下面详细描述光源装置10的配置。
图2示出了第一实施例的光源装置10的总体配置。图3是光源装置10的电路配置的示意图。
参考图2，光源装置10包括金属基板或者例如铜或铝的板状部件的基板12，以及形成在基板12上的LED阵列11。基板12的形状为矩形板，在其四个角部分处形成有安装孔(未示出)，使得基板12可以通过螺栓或小螺钉固定到平视显示装置1的仪器面板7或机架(未示出)。
基板12具有通过电解研磨(polishing)形成的镜状表面。平坦化膜16形成在镜状表面上。LED阵列11形成在平坦化膜16上。平坦化膜16是例如聚酰亚胺树脂的有机绝缘膜，或者例如氮化硅或氧化硅的无机绝缘膜，其厚度在200-600埃的范围内。平坦化膜16具有在20-60nm范围内的表面粗糙度。
LED阵列11具有为LED薄膜形式的多个发光二极管(LED)31，LED31被布置成行和列的矩阵。每个LED 31具有连接到第一布线或阳极布线23的第一电极或阳极电极、以及连接到第二布线或阴极布线24的第二电极或阴极电极。每个LED 31经由阳极布线23连接到阳极电路17并且经由阴极布线24连接到阴极电路18。
阳极电路17包括，例如，移位寄存器电路、锁存器电路、恒流源电路、放大器，它们全都集成在阳极电路17中。根据驱动数据，阳极电路17向在阴极电路18所选的行中的LED 31供应电流。
阴极电路18包括例如选择器电路，根据帧信号经由连接到LED 31的阴极布线24来选择适当的LED 31。
如图3所示，LED阵列11、阳极电路17和阴极电路18是间隔开的。形成在平坦化膜16上的阴极布线24和阳极布线23经由阴极基板14和阳极基板13分别连接到阴极电路18和阳极电路17，阴极基板14和阳极基板13的形式为具有在例如聚酰亚胺的薄膜状基板上形成的导电迹线(trace)的柔性电路板。阳极电路17可以形成在阳极基板13上。在阳极基板13和阴极基板14上的导线经由各向异性导电膜电连接到阳极布线23和阴极布线24。
下面详细描述LED阵列11的配置。
图4是沿着图5的线A-A截取的LED阵列11的截面图。图5是LED阵列的局部放大图。图6是沿着图5的线B-B截取的LED阵列11的截面图。
反射膜25是厚度在200-600埃范围内的例如钛或银的金属薄膜，并且通过汽相淀积在基板12的平坦化膜16上被图案化。LED 31是结合到反射膜25上的异质结或双异质结的pn结。
LED阵列11是由无机材料(例如，铟-铝-镓-磷化物(InAlGaP)或镓-砷化物-磷化物(GaAsP))形成的层状的薄膜结构。LED阵列11外延生长在与反射膜25分开的基板(未示出)上，然后与基板分离。分离的LED阵列11然后通过例如氢键的分子间力结合到反射膜25上。阵列11具有被分隔成单独的发光元件并且布置在二维平面中的多个LED31。
包括LED 31的多个行和列的大尺寸LED阵列11可以与基板分离，然后结合到反射层25上。然后，可以通过光刻刻蚀将大尺寸LED阵列11分隔成单独的LED 31。或者，仅仅包括一列或一行LED 31的小尺寸LED阵列11可以与基板分离，然后结合到反射层25。然后，可以通过光刻刻蚀将小尺寸LED阵列11分隔成单独的LED 31。又或者，可以首先将大尺寸LED阵列11分隔成单独的LED 31，然后可以将单独的LED 31与基板分离。然后，单独的LED 31可以结合到反射层25上。
反射层25可以为在基板上形成的叠层结构的形式，然后异质结或双异质结的层状薄膜可以外延生长在堆叠的反射层25上，在该情况下反射层25不必通过汽相淀积而被图案化。包括LED阵列11和反射层25的层状薄膜可以一起与基板分离，并且随后通过分子间力结合到另一基板上的平坦化膜16上。这简化了LED阵列11的制造步骤。
阳极布线23和阴极布线24可以是例如金、铝或钛的单层，或者例如金-镍-钛或铝-镍一钛的层状薄膜。阳极布线23和阴极布线24分别连接到LED 31的阳极和阴极，限定了矩阵的列和行。
如图4和6所示，例如聚酰亚胺或氮化硅的绝缘膜26和27形成在阳极布线23和阴极布线24下面，使得形成列和行的阳极布线23和阴极布线24不会电短路。
下面描述上述配置的平视显示装置1的操作。
当平视显示装置1的控制器接收到显示信息时，控制器产生驱动数据和帧信号，驱动数据描述LED阵列11行中的每个LED 31的“开”或“关”，帧信号选择LED阵列11的对应行。然后控制器根据显示信息来控制阳极电路17和阴极电路18。
描述LED阵列11第一行中的每个LED 31的“开”或“关”的驱动数据顺序地存储到阳极电路17的移位寄存器中。
然后，驱动数据被存储到阳极电路17的锁存器中。阳极电路17的每个放大器根据锁存器中的驱动数据来向对应LED 31供应恒定电流。恒定电流根据驱动数据经由阳极基板13和对应阳极布线23流到LED阵列11的相应LED 31的阳极，以便使LED 31发光。
当帧信号输入到阴极电路18时，选择LED阵列11的第一行的阴极布线24，使得电流根据驱动数据从阳极布线23流到LED 31中以便使第一行中的LED 31发光。
将上述操作重复与阴极布线24的数目一样多的次数，即，与LED阵列11的行数一样多的次数，由此完成要在光源装置10上显示的一帧的图像。
由光源装置10的LED 31发射的光被分色镜2反射，然后被全息反射镜4反射，以便照射设置在挡风玻璃5上的反射层6，因此在挡风玻璃5前方位置处在驾驶员的视线内形成由光源装置10所产生的图像的虚像8。
为了提供具有足够驾驶员识别的亮度的图像，要求阳极电路17向LED阵列11的LED 31供应大电流。流过LED 31的大电流产生大量的热。产生的热通过基板12而消散到平视显示装置1的机架或仪器面板7。
因此，由供应给LED 31的大电流产生的热通过由具有高热导率的金属材料形成的基板12而有效地消散到平视显示装置1的机架，由此防止LED 31亮度上的退化。
由于基板12由刚性金属材料形成，因此当将光源装置10附着到例如平视装置1的机架时，光源装置10被损坏的概率较低。
因此，第一实施例的光源装置10以及使用该光源装置10的平视显示器1具有高亮度和长可用寿命，容易组装且在组装期间不会损坏，并且有助于小型化。
第二实施例
与第一实施例的那些类似的元件被给予了相同的附图标记，并且省略了它们的描述。与第一实施例类似的配置10以几乎相同的方式工作并且提供类似的优点。
图7是第二实施例的光源装置的LED阵列11的一部分的放大图。
LED 31a-1、31a-2和31a-3发射红光。LED 31b-1、31b-2和31b-3发射绿光。LED 31c-1、31c-2和31c-3发射蓝光。换句话说，LED 31a-1、31a-2和31a-3，LED 31b-1、31b-2和31b-3，以及LED 31c-1、31c-2和31c-3发射波长彼此不同的光。LED阵列11包括红光LED的行、绿光LED的行和蓝光LED的行，被布置成使得红光LED的行、绿光LED的行和蓝光LED的行彼此交替地排列，以便形成红色、绿色和蓝色的条纹(stripe)。
发射红光的LED 31a是由外延生长的无机材料(例如，铟-铝-镓-磷化物(InAlGaP)或镓-砷化物-磷化物(GaAsP))形成的层状的薄膜结构。LED 31a是例如异质结或双异质结的pn结器件，并且可以由任何材料制造，只要可以获得波长在620到710nm范围内的光。
发射绿光的LED 31b是由外延生长的无机材料(例如，铟-铝-镓-磷化物(InAlGaP)或磷化镓(GaP))形成的层状的薄膜结构。LED 31b是例如异质结或双异质结的pn结器件，并且可以由任何材料制造，只要可以获得波长在500到580nm范围内的光。
发射蓝光的LED 31c是由外延生长的无机材料(例如，氮化镓或氮化铟-镓(indium nitride-gallium))形成的层状的薄膜结构。LED 31c是例如异质结或双异质结的pn结器件，并且可以由任何材料制造，只要可以获得波长在450到500nm范围内的光。
阳极电路17根据驱动数据分别向LED 31a-1到31a-3(红)的行、LED 31b-1到31b-3(绿)的行和LED 31c-1到31c-3的行供应电流。阳极电路17包括移位寄存器、锁存器、恒流电路和放大器，以驱动对应行中的LED。这些电路被集成在阳极电路17中。
该配置的剩余部分与第一实施例的那些相同，并且省略了它们的描述。
下面描述第二实施例的平视显示装置1的操作。
当平视显示装置1的控制器接收到红、绿和蓝光的显示信息时，控制器根据该显示信息来控制阳极电路17和阴极电路18。
描述LED阵列11的第一行中的LED 31a、31b和31c中的每一个的“开”或“关”的驱动数据分别顺序地存储到用于LED 31a、31b和31c的阳极电路17的移位寄存器中。
然后，用于LED 31a、31b和31c的驱动数据被存储到阳极电路17的对应锁存器中。阳极电路17的每个放大器根据保持在锁存器中的驱动数据来向对应LED，即，31a、31b或31c供应恒定电流。恒定电流经由阳极基板13和对应阳极布线23流到LED阵列11的LED 31a、31b和31c的阳极。
当帧信号输入到阴极电路18时，选择LED阵列11的第一行的阴极布线24，电流根据驱动数据从阳极布线23流到LED 31a、31b和31c中，使得LED 31a、31b和31c在由驱动数据驱动时发光。
将上述操作重复与阴极布线的数目一样多的次数，即，与LED阵列11的行数一样多的次数，由此完成要在光源装置10上显示的一帧的图像。
由光源装置10的LED发射的红、绿和蓝光被分色镜2反射，然后被全息反射镜4反射，然后照射设置在挡风玻璃5上的反射层6，使得在挡风玻璃5前方位置处在车辆驾驶员的视线内形成由光源装置10所产生的图像的虚像8。
如上所述，第二实施例的平视显示装置1提供彩色显示信息，向车辆驾驶员提供容易观看的显示信息。
第三实施例
与第一和第二实施例类似的元件被给予了相同的附图标记，并且省略了它们的描述。类似的配置以几乎相同的方式工作并且提供类似的优点。
图8是第三实施例的光源装置10的LED阵列的放大图。
参考图8，光屏蔽层35是用黑色颜料染色的光致抗蚀剂涂层，并且在已经形成了阳极布线23和阴极布线24之后在阳极布线23和阴极布线24上方通过光刻刻蚀被图案化以形成网格状图案。
光屏蔽层35还可以由除了用黑色颜料染色的光致抗蚀剂涂层以外的材料形成，例如，诸如氧化铬的铬化合物或诸如氧化镍、氮化镍的镍化合物，在该情况下，首先形成阳极布线23和阴极布线24，然后在阳极布线23和阴极布线24上形成绝缘膜，并且最后优选地形成金属薄膜以形成网格状图案。
该配置的剩余部分与第一实施例的相同，并且省略了它们的描述。
下面描述第三实施例的平视显示装置1的操作。
当平视显示装置1的控制器接收到显示信息时，控制器根据显示信息来控制阳极电路17和阴极电路18。
描述LED阵列11的第一行中的每个LED 31的“开”或“关”的驱动数据顺序地存储到阳极电路17的移位寄存器中。
然后，驱动数据被存储到阳极电路17的锁存器中。阳极电路17的放大器根据锁存器中的驱动数据来向LED供应恒定电流。恒定电流经由阳极基板13和对应阳极布线23流到LED阵列11的每个LED 31的阳极。
当帧信号输入到阴极电路18时，选择LED阵列11第一行的阴极布线24，电流根据驱动数据从阳极布线23流到LED 31a、31b和31c中使得LED 31a、31b和31c在由驱动数据驱动时发射对应颜色的光。
将上述操作重复与阴极布线24的数目一样多的次数，即，与LED阵列11的行数一样多的次数，由此完成要在光源装置10上显示的一帧的图像。
由光源装置10的LED 31发射的光被分色镜2反射，然后被全息反射镜4反射，然后照射设置在挡风玻璃5上的反射层6，使得在挡风玻璃5前方位置处在车辆驾驶员的视线内形成由光源装置10所产生的图像的虚像8。
形成在阳极布线23和阴极布线24上的光屏蔽层35防止由LED 31发射的光进入不需要的区域，由此增强从光源装置10出去的图像的对比度。这继而增强了在驾驶员的视线内在挡风玻璃5前方显示的虚像8的对比度。
可以由分色镜2和全息反射镜4反射透过挡风玻璃5进入车辆的环境光(例如阳光)以照射光源装置10。由于光屏蔽层35是黑色的，因此光屏蔽层35不反射环境光，使得由光源装置10反射的环境光对挡风玻璃5前方形成的虚像8的副作用减到最少。
由于进入本发明的光学系统的大部分环境光不被光源装置10反射回去，因此大量的环境光不会到达反射层6。
因此，根据所描述的本发明，很明显的是本发明可以在许多方面变化。这种变化不应被认为偏离本发明的范围，并且本领域技术人员会明白所有这种修改意图被包括在权利要求的范围内。