JP6339126B2 - 発光用、特に画像生成用の装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光用、特に画像生成用の装置に関する。この装置は、少なくとも１つの光源、少なくとも１つのヒート・シンク、光源から放射された光の拡散及び均一化のためのディフューザを含み、かつ、熱伝導性装置を含む。光源はヒート・シンクと熱的に結合している。

「画面生成ユニット」または「画像生成ユニット」（略称はＰＧＵまたはＩＧＵ）としても知られている、画像生成の先行技術の既知のシステムは、強力なパワーと光度の発光ダイオード及び特殊なレンズ、特にコリメータ・レンズで構成される。以下で高性能ＬＥＤとしても指定されている高性能発光ダイオードで画像生成システムを構成することによって、ディスプレイ照明の強度、したがって生成された仮想画像の強度を増大させるのに役立つ。

高機能ＬＥＤの使用によってさらに、特に発光素子の正面領域（すなわち、特に発光素子とコリメータ・レンズとディスプレイ装置との間の領域内）でシステム内部の熱放出が上昇する。熱放出の増大によって、発光素子の正面領域の温度は、ディスプレイ装置の動作温度の許容限界を超えて上昇する。ディスプレイ装置は故障するかあるいは破壊する恐れがある。この領域は、高温領域として指定されてもいる。

従来の画像生成システムは、放熱板（冷却体）として構成されたヒート・シンクを含む。しかし、発光素子と熱結合して配置された放熱板は高機能ＬＥＤから放出された熱を完全には除去することができず、その結果、コリメータ・レンズとディスプレイ装置との間の高温領域内の温度が急激に上昇する。

画像生成システムはまた、いわゆる「ヘッドアップ・ディスプレイ」などのディスプレイ装置の構成部品としても使用され、また、例えば、自動車のフロント・ガラスの領域に配置される。ＨＵＤとも略されるヘッドアップ・ディスプレイという用語は、このような状況でユーザの視野に情報が投影されてから表示された情報をユーザが観察するときに、それによってユーザが元の配置の頭の位置及び／または視界の方向を保持できるディスプレイ・システムを指す。ＨＵＤは、一般に、画像を生成する画像形成ユニット、レンズ・モジュール、及び投影面を含む。レンズ・モジュールは、画像を反射しかつ透明なディスクとして構成された投影面上に導く。自動車の運転手は、画像形成ユニットの反射された情報を見、同時に、ディスクの後ろの実環境を見る。

特許文献１（米国特許出願第２００７／００６４１７４Ａ１号明細書）は、光ユニット及びディスプレイ・ユニット、特に、ＨＵＤを備えたデバイスを教示している。光ユニットは、反射鏡と内部で素子が液晶パネルを通して光源として光る遮熱ディスクとの間に配置された照明素子を含む。照明素子と液晶パネルとの間に配置された遮熱ディスクは、特に、液晶パネルにあまり多くの熱が入らないように液晶パネルを保護するために、照明素子によってディフューザ板と液晶パネルの方向に放出された熱線を遮断する。

特許文献２（欧州特許第１８６５５３４Ｂ１号明細書）は、発光パネル及び発光パネルによって放射された光を散乱させるための、発光パネルに対向した散乱板を備えた発光装置を開示している。この装置は、発光パネルと散乱板との間に配置され高熱伝導材で構成された放熱板を含む。発光パネルは、発光のアクティブ領域及び非アクティブ領域を含み、非アクティブ領域は、アクティブ領域の周囲の共通平面にほぼ配置される。

さらに、従来技術では、遮熱ディスクと放熱板に加えて、通風装置、冷却コイル及び熱吸収フィルタが使用される。

先行技術から既知のシステムは、発光素子によって放射された光ビームの内部に配置され、デバイスからの光の出射までの光強度を低下させる複数の構成部品を含む。装置内に備えられた構成部品は、放出された熱を不十分に放散させることしかできない。さらに、発光装置は、特に多すぎる熱チャージから保護すべきディスプレイ装置と接続されていない。

米国特許出願第２００７／００６４１７４Ａ１号明細書 欧州特許第１８６５５３４Ｂ１号明細書

本発明の課題は、発光用特に画像生成用の装置であって、装置の破壊または損傷を回避するために発光素子（例えば、高性能ＬＥＤ）によって放出された熱が高温領域から効果的に放散される装置を入手可能にし、さらに開発することである。熱放散素子は、個々の構成部品の限界温度に到達しないようにまたはそれを超えないようにして画像生成装置と組み合わせて構成すべきである。発光装置の構成部品数は、製造コストを最小にするために最小限であるべきである。他方、熱除去用の構成部品は、光強度が追加的に影響を受けたりまたは低下したりしないように構成すべきである。

この課題は、独立請求項の特徴を備えた主題によって解決される。さらなる発展が従属請求項に示される。

この課題は、本発明による発光用特に画像生成用の装置によって解決される。この装置は、少なくとも１つの光源、少なくとも１つのヒート・シンク、光源から放射された光の拡散及び均一化のためのディフューザを含み、かつ熱伝導性装置を含む。光源はヒート・シンクと熱結合している。

熱結合によって、熱の放射または対流だけでなく直接的な熱伝導によって、互いに接続された構成部品間の熱移動が可能になる。したがって、熱結合された構成部品は互いに熱伝導して接続されている。

本発明の概念によれば、熱伝導性装置は、ヒート・シンクと熱結合されて光源によって生成された放出熱が熱伝導性装置に移動し熱伝導性装置からヒート・シンクに移動するように設計される。加えて、熱伝導性装置は、本発明によれば、光源によって放射された光を拡散し均一化するディフューザとして構成される。

この接続での光源または光ユニットは、熱と光を放射する素子である。好ましくは、高性能ＬＥＤが、光源として使用される。

本発明の好ましい実施形態によれば、本装置は第一のヒート・シンク及び第二のヒート・シンクを含む。光源は第一のヒート・シンクと熱結合するように構成される。熱伝導性装置は、光源から離れて配置された第二のヒート・シンクと熱結合されて光源によって生成された熱が熱伝導性装置に伝達され熱伝導性装置から第二のヒート・シンクに伝達されるように構成される。

本発明の第一の代替実施形態によれば、第一のヒート・シンクと第二のヒート・シンクは、互いに空間的に離れて配置される。これらのヒート・シンク間には直接的な熱伝導接続は形成されない。

本発明の第二の代替実施形態によれば、第一のヒート・シンクと第二のヒート・シンクは、互いに熱結合され、一体で構成される。したがって、熱伝導性装置は、第二の熱伝導性装置と熱結合され、第二のヒート・シンクを介して第一のヒート・シンクとも熱結合されている。

ヒート・シンクは、装置の壁として有利に構成される。

本発明の更なる発展形態によれば、熱伝導性装置は、ヒート・シンクと少なくとも一部または完全に熱結合される。

本発明の別の有利な実施形態は、装置が反射鏡で構成される点からなる。この反射鏡は、光源の周りの径方向に配置され、光源に対して遠位側の端部に開口を含み、ヒート・シンクと熱結合される。したがって、光源によって放射され反射鏡により囲まれた容積の内側に蓄積される熱がヒート・シンクに伝達される。

本発明の更なる発展形態によれば、装置は、光源によって放射された光の方向に配置され、光を平行に整列させるためのコリメータを含む。加えて、この熱伝導性装置は、コリメータによって平行に向けられた光に垂直に配向した平面内に構成される。

本発明の好ましい実施形態によれば、この装置は画像生成用のディスプレイ装置を含む。熱伝導性装置は、ディスプレイ装置の正面の光源によって放射された光の方向に、したがって、光源とディスプレイ装置との間に配置されて熱伝導性装置を通過する光がディスプレイ装置を通って光るようにされる。

したがって、本発明のこの設計は、プロジェクタ・ユニットまたは画像生成システムとしてディスプレイ装置（好ましくは、高性能ＬＥＤ）を備えた光源、及び個々の構成部品を熱的に保護するための熱放散装置によって構成される。例えば、自動車、飛行機、船などのＨＵＤとして、プロジェクタ・ユニット及び画像生成システムが使用される。

ディスプレイ装置は、ＴＦＴディスプレイとして有利に構成される。

本発明の別の好ましい実施形態は、ヒート・シンクが冷却体（放熱板）として構成され熱を周囲の空気に伝達するリブを含む点にある。

本発明の別の有利な実施形態によれば、熱伝導性装置は、アルミニウム、銅、チタンまたはマグネシウム、あるいはこれらの成分の合金などの良好な熱伝導材料から構成される。

本発明の設計は、特に、発光パワーの高い発光素子によって生成された熱の有効な除去を備えた少数の構成部品に関しては、自動車内に仮想画像を生成する光学部品と組み合わせて本装置を自動車内で使用可能にする。この仮想画像は、自動車運転手がフロント・ガラスを通して移動方向を見ているときに運転手の視界方向のフロント・ガラス上に投影される。本装置及び追加の光学部品がダッシュボード内に配設される。

要するに、本発明の本装置は様々な利点を有している：
・構成部品数が少ないこと、
・製造時に発生するコストが最小であること、
・追加の構成部品による光度の低下がないこと、
・発光パワーの高い発光素子によって生成される熱を効率的に除去すること及び、それによって過熱による損傷からディスプレイ装置を保護し、長い耐用年数を保証すること。

本発明の実施形態の他の詳細、特徴および利点は、関連する図面を参照してなされた実施形態例の以下の説明に由来する。図面は、発光用特に画像生成用の装置を示す。

自動車内で情報を仮想画像として示す光学部品を備えた配置の内部である。 ダッシュボード内部に配置された第一及び第二の偏向ミラーを備えた組み立て状態である。 高温領域を特徴付けた断面図である。 高温領域内に配置された熱伝導性装置を備えた断面図である。 断面透視図である。 図５における異なる実施形態の熱伝導性装置を示す。 図５における異なる実施形態の熱伝導性装置を示す。

図１は、自動車内で情報を表示する光学部品を備えた配置内部の発光用特に仮想画像１１生成用の装置１を示す。仮想画像１１は、自動車運転手２が進行方向を見ているときに彼の視界方向にフロント・ガラス９によって投影される。

光学部品、特に第一の偏向ミラー３及び第二の偏向ミラー４を備えた装置１は、ダッシュボード８の内部に配置される。装置１によって放射される光線からなるビーム７は、平面状または非球面凸状に構成された第一の偏向ミラー３を介して非球面凹状に構成された第二の偏向ミラー４に導かれる。光線から成るビーム７は、グレア光トラップ（図示せず）を通ってダッシュボード８から出る。グレア光トラップに隣接している別の光トラップ６は、グレア光トラップと共同して、自動車運転手２に対する刺激と反射をもたらし得る光線の出射を防ぐ。

光線のビーム７は、自動車のフロント・ガラス９の所定領域（投影面とも呼ばれ、そこでは、フロント・ガラス９が画像を表示する光学部品で形成される）に向かって導かれる。発光用及び仮想画像１１生成用の装置１並びに偏向ミラー３、４は、フロント面９上に形成された投影面と共同してＨＵＤとして作用する。

自動車運転手２には、仮想画像１１及びそれに含まれた情報に気づくために彼の頭の動きと彼の目の動きの領域１０を増大させない可能性が与えられる。自動車運転手２は、情報が彼の視野内に投影されるので、彼の頭の位置と彼の視界の向きを保持することができる。これによって、自動車運転手２が情報を受信するための編向が最小化される。

装置１は仮想画像を生成し、この画像は、フロント・ガラス９の反射しかつ透明な投影面上に導かれる。自動車運転手２は、フロント・ガラス・プロジェクタのユーザとして装置１の反射された情報を見、同時に、フロント・ガラス９の後ろの視界方向の実際の環境を見る。仮想画像１１は、光路１２上の自動車運転手２から知覚可能な距離（いわゆる投影距離Ｓ）に表示される。

図２は、ダッシュボード８の内部に配置された第一の編向ミラー３と第二の編向ミラー４と一緒に組み立てられた状態の発光用特に仮想画像１１生成用の装置１を示す。

装置１は生成された光線のビーム７を自動車運転手２方向の第一の編向ミラー３上に送り、編向ミラー３は光線を第二の編向ミラー４上に反射する

図３は、発光用装置１の断面図を高温領域２１を特徴付けて示す。図４は、高温領域２１に配置された熱伝導性装置２２を備えた発光用装置１を示す。

光源１３は、回路基板１８上に配置され、放熱板（冷却体）として構成された第一のヒート・シンク１９と回路基板１８を介して熱的及び機械的に結合される。第一のヒート・シンク１９の放熱板は、光源１３の背面側に構成され、空気を積み込んだリブを含む。特に、複数の高性能発光ダイオード（以下で高性能ＬＥＤとも呼ばれる）が、光源１３としての機能を果たす。

プログラムすることができパワー・リレーとして構成される回路基盤基板１８は、一方では光源１３に接続され、他方ではヒート・シンク１９に結合されて光源１３によって生成された熱が熱伝導及び熱放射を介して放熱板に移動するようにされる。熱は、放熱板から装置１の周囲の空気に至る外部に放散される。

光源１３は、光源１３に対する遠位端上に開口部を含む反射鏡１４によって回路基板１８の反対側に面する領域で囲まれる。したがって、光源１３から放射された光の全体が反射鏡１４の開口部に導かれる。

コリメータ１５として構成されたレンズが、光線の平行なコースまたは光線の平行なビームを生成する反射鏡１４の開口部に配置される。コリメータ１５は、光源１３から放射され平行にされたすべての光線をディスプレイ装置１７に導くために反射鏡１４の開口部のほぼ全体を覆う。光学フィルタ１６が、コリメータ１５とディスプレイ装置１７との間に構成される。ディスプレイ装置１７は、例えば、カラーの高解像度ＴＦＴディスプレイとして（すなわち、薄層のトランジスタ・コントロールを備えたディスプレイまたは薄層のトランジスタ・ディスプレイとして）構成される。

光源１３によって放射され、コリメータ１５によって平行にされた光線は、仮想画像１１を生成するためにディスプレイ装置１７を通って光る。

高機能ＬＥＤは非常に高い強度で光を生成し放射するが、他方では大量の熱も生成し放出するので、装置１の内部、特に、光源１３の正面の領域の温度が上昇する。高温領域２１は、実質的に、光源１３及びコリメータ１５からディスプレイ装置１７まで延在する。

５５℃の周囲温度で装置１の高温領域２１では、コリメータ１５及びフィルタ１６の温度は約１３０℃に到達し、４４℃の周囲温度で、約１２０℃に到達する。コリメータ１５の限界温度は、約１２０℃である。これに比べて、フィルタ１６の限界温度は、９５℃〜１０５℃である。したがって、ディスプレイ装置１７及びフィルタ１６の動作温度の許容限界を超過し、その結果、ディスプレイ装置１７の破壊及び故障が生じ、したがって装置１の破壊及び故障が生じる。

図４から明らかなように、熱伝導性装置２２が高温領域２１内に形成されコリメータ１５とディスプレイ装置１７の間、特に、コリメータ１５とフィルタ１６の間に配置される。熱伝導性装置２２は、コリメータ１５によって平行にされた光ビームに垂直な平面内に形成され、高温領域の境界、したがって、装置１のハウジングまで延在する。ハウジングの壁は、好ましくは金属からなる。

熱伝導性装置２２は、過剰な熱の流入、したがって限界温度の超過に対してディスプレイ装置１７及びフィルタ１６を保護するために、光源１３によってディスプレイ装置１７方向に放出された熱線及びフィルタ１６よって放出された熱線を放散させる役割をする。

熱伝導性装置２２は、放熱板として構成された第二のヒート・シンク２０と熱的及び機械的に結合され、光源１３によって生成された熱を熱伝導性装置２２に移動させ、熱伝導性装置２２からほぼ熱伝導を介してヒート・シンク２０に移動させるようにされる。熱は、放熱板から外の装置１の周囲の空気に除去される。第二のヒート・シンク２０の放熱板は、装置１の側面、特に上部と下部上に形成され、空気を積み込んだリブを含む。

図示しない実施形態では、第一のヒート・シンク１９と第二のヒート・シンク２０とが互いに熱結合されているか、またはヒート・シンクとして一体で構成されて、熱伝導性装置２２も第二のヒート・シンク２０を介して第一のヒート・シンク１９と熱結合されるようにする。

熱伝導性装置２２は、一方では第二のヒート・シンク２０の熱を放散させるために構成され、他方では、光源１３によって放射された光のディフューザとして構成される。ディフューザは、激しい直射光をよりソフトにし、光と影の強いコントラスト及び邪魔な反射を低減させる光散乱素子として適している。ディフューザは、装置１と共同して、ディスプレイ装置１７の均一な照明をもたらす。

図５は、発光用、特に画像１１生成用の装置１の断面透視図を示す。回路基板１８は、正面側に配置された光源１３と第一のヒート・シンク１９によって熱的及び機械的に結合されている。光源１３から反対に向く回路基板１８の裏側は、第一のヒート・シンク１９横に平らに接している。回路基板１８は、図示しない保持要素によって放熱板に固定される。

光源１３の周りに配置された反射鏡１４は、その全表面の大部分が第二のヒート・シンク２０の放熱板横に接しており、その結果、放熱板と熱結合されて光源１３によって放出され反射鏡１４に囲まれた容積内部に蓄積された熱が外部の環境空気に除去されるようになる。

高温領域２１に配置され平行化光線に垂直に整列した熱伝導性装置２２は、第二のヒート・シンク２０の放熱板すべての側面上に構成された装置１のハウジングまで延在している。したがって、装置１は、その裏側が第一のヒート・シンク１９の放熱板によって囲まれ、すべての側面及び面または正面が第二のヒート・シンク２０の放熱板によって囲まれている。第二のヒート・シンク２０の放熱板は装置１の横表面及び正面側に形成されており、空気を積み込んだリブを含む。

熱伝導性装置２２は、すべての端領域で第二のヒート・シンク２０の放熱板と熱結合されて熱伝導性装置２２によって取り込まれた熱が熱伝導によって放熱板に移動し放熱板から装置１周囲の空気に移動するようになっている。

光源１３によって放射され、平行にされた光線は、ディスプレイ装置１７を通って光り仮想画像１１を生成するために、フィルタ１６及びディスプレイ装置１７までコリメータ（図示せず）及び熱伝導性装置２２を通り抜ける。ディスプレイ装置１７は、装置１の正面側に固定要素２３によって配置される。ディスプレイ装置１７の領域では、ハウジング、特に第二のヒート・シンク２０の放熱板は、光源１３によって放射されディスプレイ装置１７を通って光る光線が通って装置１から出る開口を備えて設計される。

図６ａ、図６ｂは、異なる実施形態でのディフューザとして構成された熱伝導性装置２２’、２２”を示す。

熱伝導性装置２２’、２２”は、特に金属からなる、網目、格子、または繊維として構成され、熱の除去に加えて、放熱板に永久的に接続された光ディフューザとしての機能を果たす。熱伝導性装置２２’、２２”は、光線からなるビームの中心軸から外部の第二のヒート・シンク２０の放熱板に至るまで熱を導く。

熱伝導性装置２２’、２２”は、良好な熱伝導性材料、すなわち、アルミニウム、銅、チタンまたはマグネシウムなどの熱伝導率の高い材料から構成される。

光は、網目、格子、または繊維の内部に形成された開口を通って熱伝導性装置２２’、２２”にほぼ垂直に向かっていき、一様にされ、ディスプレイ装置１７までさらに導かれる。熱伝導性装置２２’、２２”は、光に対して均一化している形状を有する。

装置１は、光に加えて熱も放出する高性能ＬＥＤまたは他の発光素子を備えたＨＵＤ、ＰＧＵ、ＩＧＵ、光ユニット、投影器ユニットなどのすべての画像生成用システムに使用することができる。

１ 装置
２ 自動車運転手
３ 第一の偏向ミラー
４ 第二の偏向ミラー
６ 光トラップ
７ 光線のビーム
８ ダッシュボード
９ フロント・ガラス
１０ 自動車運転手２の頭の動きと目の動きの領域
１１ 仮想画像
１２ 光路
１３ 光源
１４ 反射鏡
１５ コリメータ
１６ フィルタ
１７ ディスプレイ装置
１８ 回路基板
１９ 第一のヒート・シンク
２０ 第二のヒート・シンク
２１ 高温領域
２２、２２’、２２” 熱伝導性装置＝光ディフューザ
２３ ディスプレイ装置１７の固定素子
Ｓ 投影距離

Claims (9)

1. 発光用及び画像生成用の装置（１）であって、
   少なくとも１つの光源（１３）と、
   前記光源（１３）が熱的に結合して構成された、少なくとも１つのヒート・シンク（１９、２０）と、
   前記光源（１３）によって放射された光を拡散し均一化するディフューザと、
   熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）と、
   を含み、
   前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）は、前記光源（１３）によって生成された熱が前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）に移動されて、当該熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）から前記ヒート・シンク（２０）に移動されるように、当該ヒート・シンク（２０）に熱的に結合されて構成されていると共に、前記光源（１３）によって放射された光を拡散し均一化するディフューザとして構成され、
   更に、
   第一のヒート・シンク（１９）と第二のヒート・シンク（２０）が構成され、
   前記光源（１３）が前記第一のヒート・シンク（１９）と熱的に結合されるように構成され、前記第二のヒート・シンク（２０）が前記光源（１３）から離れて配置されており、
   前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）は、前記光源（１３）によって生成された熱が前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）に伝達されて、当該熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）から前記第二のヒート・シンク（２０）に伝達されるように、前記第二のヒート・シンク（２０）と熱的に結合されて構成され、且つ、前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）は、前記第一のヒート・シンク（１９）と熱的に結合していない、装置（１）。
2. 前記ヒート・シンク（１９、２０）が前記装置（１）の壁として構成される、請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）が前記ヒート・シンク（１９、２０）と少なくとも一部または完全に熱的に結合されている、請求項１または２に記載の装置（１）。
4. 反射鏡（１４）を有し、この反射鏡（１４）は、
   前記光源（１３）の周りの径方向に配置され、
   前記光源（１３）に対して遠位の端部に開口を含み、
   前記ヒート・シンク（１９、２０）と熱的に結合されており、それにより、前記光源（１３）によって放出され、前記反射鏡（１４）によって囲まれた容積の内部に蓄積された熱が、前記ヒート・シンク（１９、２０）に移動するように構成されている、請求項１から３のうちの１つに記載の装置（１）。
5. 光を平行に整列させるコリメータ（１５）が前記光源（１３）によって放射された光の方向に配置され、前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）が、前記コリメータ（１５）によって平行にされた光に垂直な平面内に配置される、請求項１から４のうちの１つに記載の装置（１）。
6. 画像(１１)を生成するディスプレイ装置（１７）が構成され、前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）が、前記ディスプレイ装置（１７）の正面において前記光源（１３）によって放射された光の方向に配置され、それにより、前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）を通過する光が前記ディスプレイ装置（１７）を通って光るようになっている、請求項１から５のうちの１つに記載の装置（１）。
7. 前記ヒート・シンク（１９、２０）が、熱を周囲の空気に移動させるリブを備えた冷却体として構成される、請求項１から６のうちの１つに記載の装置（１）。
8. 前記熱伝導性装置（２２、２２’、２２”）が、アルミニウム、銅、チタンまたはマグネシウムの熱伝導性材料を含む、請求項１から７のうちの１つに記載の装置（１）。
9. 自動車内で仮想画像（１１）を生成する光学部品を備えた請求項１から８のうちの１つに記載の装置（１）の使用であって、前記仮想画像（１１）が、フロント・ガラス（９）を通して移動方向を見ているときに自動車運転手（２）の視界方向の前記フロント・ガラス（９）上に投影され、前記装置及び前記光学部品がダッシュボード（８）の内部に配置される、装置（１）の使用。

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