CN108594433A - 一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及显示照明技术领域，具体公开了一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，包括发光单元，且发光单元的前方设有准直透镜；偏极光双折射片，用于接收由发光单元及准直透镜入射的光线；微透镜阵列，用于接收入射的P偏极光与S偏极光；偏光装换片，设于透镜阵列的出光侧。本发明通过偏极光双折射片将非偏极光线分成P偏极光与S偏极光的光线并以不同角度射出，光线经微透镜阵列聚光与折射后以同方向且并排对称方式射出，再由偏光转换片形成同一性质的偏极光线导入显示器，从而减少光线的损失，并提高显示器亮度，减少耗电量。

Description

一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***

技术领域

本发明涉及显示照明技术领域，具体公开了一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display，以下简称为HUD)是由虚像投影***的盒体及光合成器(Combiner)组成的。早期是运用于战斗机上，飞行员可经过光合成器观看前方景物，同时由装置投射虚像获取信息而不必低头察看仪表板。由于科技的不断进步，较先进的汽车工业也渐渐采用了HUD的***，而在HUD***中，如何减少光源的浪费，提供足够的亮度，减少耗电量，降低散热需求，攸关HUD***的可靠度，在车用***严酷的环境条件下，显得特别重要。因此HUD的照明***的设计需要再加以细心研发才能更上一层楼。

传统的抬头显示器照明***，如图7和图8所示，包括有：多个发光源60，每一个发光源60都是由一发光二极体602罩上一个聚光杯601所构成，而在发光二极体602发出光源后，经由聚光杯601将光线向外射出；由于发光二极体602为一小面积的朗伯特(Lambertian)光源，其发光强度与发光角度呈余弦函数( cosine)关系，而聚光杯601的作用是将发光二极体602的扩散的光源进行聚光，从而形成具方向性的小角度以较接***行光的大面积(聚光杯的出口大小)直射光源。

一导光柱61，是用于容纳上述发光源60，导光柱是一个一四面都是高反射率镜面的空心柱体，以图中方向为参考方向，下方为入光面，上方为出光面，可将发光源60的光线经由各聚光杯601将出射光混合，达到均匀混合的效果，并使光线从导光柱61的出光面方向射出。

一扩散片62，设于导光柱61另一端（即出光面），加设扩散片62的效能是将由导光柱61出光面射出的光，扩散适当角度而形成均匀的面光源，用来作为充作后方 LCD面板63的背光源而构成了现有的照明***。

而传统技术中，发光源60用一发光二极体602罩上一个聚光杯601，光线经反射向前，光线经反射向前的时候已有能量的耗损，再经过扩散片62时光线的耗损后，虽然照明光线变更均匀柔和；但是光线的角度也因此会因此而扩散，难以集中在特定角度(HUD的视场角)和HUD的可视范围(Eye-box)内，这对HUD的使用上造成了光度的浪费，而且传统的照明***白光光源经过后方液晶显示器中的偏光片再吸收一半以上的光能，更加减弱了光源的强度，并且光线容易扩散不易集中，这是传统技术主要的缺点，因此HUD需要更好的照明***，才能使HUD更提升品质，更具有竞争性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，包括：

至少一发光单元，能将发出的强力光线射向前方；且发光单元的前方设有准直透镜；

一偏极光双折射片，用于接收由发光单元及准直透镜入射的光线，并将入射的非偏极准直光线分成P偏极光与S偏极光的光线，且两光线分别以不同角度射出；

一组微透镜阵列，用于接收入射的P偏极光与S偏极光；所述微透镜阵列为透明块状结构体，微透镜阵列的入光面与出光面呈相互平行，且入光面与出光面上设有位置相对的透镜阵列面；所述透镜阵列面设有多个连续且紧密排列的透镜单元，以使P偏极光与S偏极光的光线经第一个透镜单元的聚光与折射，呈左右交叉对称地进入第二个透镜阵列面中各相对应的透镜单元，且第二个透镜阵列面的透镜单元改变光束的方向，以使P偏极光与S偏极光以同方向且并排方式射出；

一偏光装换片，设于透镜阵列的出光侧；所述偏光装换片设有等间隔排列的覆层，以构成具有相位延迟特性的偏光转换区和不具有相位延迟特性的的透光区；所述偏光转换区和透光区均与微透镜阵列中的透镜单元对齐，且一组偏光转换区和透光区各占一个透镜单元面积的一半；

光线经过偏光转换片后均形成同一性质的偏极光线，以供液晶显示器显像。

进一步地，所述透镜单元为长形柱面透镜，且与偏光转换片的偏光转换区和透光区的位置相对。

进一步地，所述微透镜阵列为一体成型结构。

进一步地，所述微透镜阵列由两块具有透镜单元的半块体构成；所述两块半块体为对称的块状透镜，且两半块体的外侧均凸出以形成多个连续且紧密排列且相互对齐的透镜单元。

进一步地，所述发光单元为单一光源，且所述准直透镜仅为一组。

进一步地，所述准直透镜为复数个光学元件组成的阵列。

进一步地，所述发光单元至少为两个。

进一步地，所述发光单元为发光二极体。

进一步地，所述偏光转换片上的偏光转换区具有半波相位延迟特性，且偏光转换片的相位延迟轴与偏极光的电场偏振方向呈45度。

本发明的有益效果：提供一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，通过偏极光双折射片将非偏极光线分成P偏极光与S偏极光并以不同角度射出，光线经微透镜阵列聚光与折射后进入偏光转换片形成同一性质的偏极光线导入显示器，从而减少光线的损失，并提高显示器亮度，减少耗电量。

附图说明

图1为本发明实施例的平面结构示意图。

图2为本发明实施例的立体结构示意图。

图3为本发明实施例的偏光转换片结构示意图。

图4为本发明实施例的一种微透镜阵列结构示意图。

图5为本发明实施例的第二种微透镜阵列结构示意图。

图6为本发明实施例并列使用光源照明的示意图。

图7为传统的抬头显示器的光源***分解图。

图8为传统的抬头显示器的光源***组合剖视图。

60 发光源

601 聚光杯

602 发光二极体

61 导光柱

62 扩散片

63 面板

10 发光单元

11 准直透镜

20 偏极光双折射片

30 微透镜阵列

30’ 微透镜阵列

31 透镜阵列面

31A 半块体

31’ 透镜阵列面

310 透镜单元

32 透镜阵列面

32A 半块体

32’ 透镜阵列面

320 透镜单元

40 偏光转换片

41 偏光转换区

42 透光区

50 液晶显示器

L 光线

Ls 光线

Lp 光线。

具体实施方式

本发明的主要目的在于，舍弃传统的的扩散片的设置，避免浪费能源，减少亮度的缺点，采用一种全新设计的照明***，其结构主要在发光单元前方设有一偏极光双折射片，首先将由发光单元入射的非偏极准直光线分成P偏极光与S偏极光的光线，并分别以不同的角度射出；再经一组微透镜阵列，使Ｐ偏极光与Ｓ偏极光的光线经聚光与折射，以同方向且并排对称方式射出；再经一偏光转换片偏极光转换单元，将光线全形成同一性质的偏极光线之后，再导入供液晶显示器显像，能得到优良而高效率的光源。

为达到上述目的，本发明的最佳实施例，可以用下列的方式来达成：

设一发光单元，能将发出的强力光线射向前方；并在发光单元的前方设有准直透镜；再设一偏极光双折射片，用于接收由发光单元及准直透镜入射的光线，并将该入射的非偏极准直光线分成Ｐ偏极光与Ｓ偏极光的光线，且分别以不同的角度射出；一组微透镜阵列，用于接收射入的Ｐ偏极光与Ｓ偏极光，微透镜阵列包括两个呈相对设置的透镜阵列面，相对的透镜阵列面呈相互对称设置，并且分别各自形成有多个连续且紧密排列的透镜单元，以使Ｐ偏极光与Ｓ偏极光的光线经透镜单元的聚光与折射，呈左右交叉对称地进入第二个透镜阵列面的透镜单元，且第二个透镜阵列面上的各相对应的透镜单元能改变各光束的方向，以使P偏极光与S偏极光以同方向且并排方式射出；一偏光转换片，设于微透镜阵列的出光侧，偏光转换片上设有等间隔排列的覆层，以构成具相位延迟特性的偏光转换区和未作动的透光区，其中偏光转换区和透光区分别与微透镜阵列中的透镜单元对齐，并且一组偏光转换区和透光区各占一个透镜单元面积的一半位置；当光线经过偏光转换片后均形成同一性质的偏极光线，以供液晶显示器显像；由于没有扩散片的设置，经测量可提升液晶显示器的穿透率(一般规格为5%) 1.3-2倍，得到更强的有效光线。

本发明具有如下优点：

1.由于本发明并未使用传统的的扩散片设计，光源并未被大量消耗，因此亮度能提高，并且节省能源。

2. 由于本发明先以白色的光源组投射光线，并使用偏极光双折射片将入射的非偏极准直光分成Ｐ 偏极光与Ｓ偏极光线，并分别由不同的角度射出；并经过微透镜阵列及偏光转换片的分光及对应，再供液晶显示器的使用，经测量可提升液晶显示器的穿透率(一般规格5%) 1.3-2倍，得到更强的有效光线。

3. 本发明使用强力白光LED光源置于光轴上，即可实施，较现有技术更为简单实用，节省成本。

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，如图1和图2所示，包括：

一发光单元10，为强力发光的白光二极体(LED)，能将发出的强力光线L射向前方；如图1和图2所示，发光单元10为单一光源。如6图所示，发光单元10也可为多个发光二极体；为使该光线能向前平行射出，可在发光单元10的前方设有一个或多个准直透镜11，准直透镜11可依实际需要而增加光学元件数量，通常设计上为了兼顾效能及不占空间要求，采用一个或二个为常用的模式，但本实施例附图中仅以一个作为示意。

一偏极光双折射片20，用于接收由发光单元10及准直透镜11入射的光线Ｌ，并将该入射的非偏极准直光线L分成 P 偏极光与S 偏极光的光线Lp,Ls，并分别以不同的角度射出。

一组微透镜阵列30，用于接收射入的P偏极光与S偏极光，为透明块状结构体，且微透镜阵列的相互呈平行设置的入光面及出光面上，设有呈相对设置的透镜阵列面31,32，该透镜阵列面31,32上分别各自形成有数个连续且紧密排列的透镜单元310,320；如图2所示，透镜单元310,320为多个紧密并列的方形单元；该微透镜阵列30的两个透镜阵列面31,32间设有透光材质，而使光线Lp,Ls直接通过；且该微透镜阵列30可由透明材质一体成型，在制造及组合上将更为方便；如图1和图2所示，微透镜阵列30的两个透镜阵列面31,32以透镜单元310,320为基准，呈两两相对的状态，该透镜单元310能将光线Lp,Ls聚集，投射到相对应透镜阵列面32的透镜单元320上，再由透镜单元320改变各光束的方向，使P偏极光与S偏极光以同方向且并排对称方式射出

如图1-3所示，一偏光转换片40，设于微透镜阵列30的出光侧，偏光转换片40上设有等间隔排列的覆层，从而构成具相位延迟特性的偏光转换区41和不具相位延迟特性的透光区42。偏光转换区41和透光区42与微透镜阵列30中的透镜单元310,320对齐，并且一组偏光转换区41和透光区42各对准微透镜阵列30中每个透镜单元310,320面积的一半位置；且该偏光转换区41的覆层具半波相位延迟（half-wave plate）特性，而该覆层之相位延迟轴与偏极光之电场偏振方向间呈45度或135度夹角。

如图1和图2所示，本发明由发光单元10将发出的强力光线L射向前方，并由准直透镜11使该光线能向前平行射出，当光线Ｌ经过偏极光双折射片20，将该入射的非偏极准直光线L分成 P 偏极光与S 偏极光的光线Lp,Ls，当两种偏极光线Lp,Ls进入了微透镜阵列30时，首先进入第一个透镜阵列面31的透镜单元310，该P 偏极光与S 偏极光的光线Lp,Ls经透镜单元310的聚光与折射，呈左右交叉对称地进入第二个透镜阵列面32的透镜单元320，此透镜单元320能改变各光束的方向，使P偏极光与S偏极光以同方向且并排对称方式射出；由于该透镜单元320均与偏光转换片40上的偏光转换区41及未作动的透光区42相对应，因此当第一种偏极光线Ls进入透镜单元320后，射入偏光转换片40的透光区42，再射入液晶显示器50；而第二种偏极光线Lp进入透镜单元320后，射入偏光转换片40的偏光转换区41，将原本的偏极光线Lp转成另一种偏极光线Ls，再射入液晶显示器50；则可使所有射出的光线均变成为同一性质的S偏极光线Ls，以供液晶显示器50显像。

发光单元10前方设有准直透镜20，准直透镜20可以为单一透镜组(包含一个或复数个光学元件)，或是由多个准直透镜组成的透镜阵列，从而相互紧密并列而接成一个广泛的照明面。但此为本领域技术人员熟知且容易实现，不再另以图式赘述；如图1和图2所示，微透镜阵列30在考虑空间或材料的因素时，可以如4图所示的实施例进行设计，微透镜阵列30被等效取代为由两块具有一透镜单元310,320的半块体31Ａ,32Ａ所构成的微透镜阵列30’，该两个半块体31Ａ,32Ａ为两两对称的透镜阵列，分别在外侧凸出各自形成有数个连续且紧密排列的透镜单元310,320；透镜单元310,320相对齐能达到相同的效果。

如图2所示，微透镜阵列30的前透镜阵列面31和后透镜阵列面32上的透镜单元310,320为多个矩形透镜，能收集适量的光线投射在偏光转换片40的偏光转换区41或透光区42的位置上；在发光单元10、准直透镜11、偏极光双折射片20、偏光转换片40都不变的前提下，该微透镜阵列30可以设计成如图5所示的微透镜阵列30’，该微透镜阵列30’的前透镜阵列面31’和后透镜阵列面32’上的透镜单元310’,320’为长形柱面透镜，对应于偏光转换片40的偏光转换区41或透光区42的位置，能达到预期的效果。

如图6所示，本发明可将光源并列组成密集分布的光源进行投射，配合一个或多个准直透镜11，可使照明***的厚度缩小，从而提升液晶显示器的穿透率（一般规格5%）1.3-2倍，得到更强的有效光线照明***。

在投影机***中使用的传统偏极光转换器，需要平面镜及反射式偏极分光器对入射的非偏极光进行偏极分光，因此需要对反射角度进行设置及调整，操作繁琐，不利于生产运用。而且由于存在反射角度，从而导致设备体积大，占用空间资源，不利于使用。而本发明采用偏极光双折射片代替扩散片，光线可以穿透偏极光双折射片，并被分成P偏极光与S偏极光的光线，并分别以不同的角度射出，并通过一组微透镜阵列与偏光转换片的作用，将光线全形成同一性质的偏极光线之后，再导入供液晶显示器显像，能减少光线的损失，能得到优良而高效率的光源，而且大大缩小设备的空间体积。本发明的偏光转换区设于偏光转换片的外侧，并对整个偏光转换片进行透光处理，便于生产加工。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，包括：

至少一发光单元，能将发出的强力光线射向前方；且发光单元的前方设有准直透镜；

一偏极光双折射片，用于接收由发光单元及准直透镜入射的光线，并将入射的非偏极准直光线分成P偏极光与S偏极光的光线，且两光线分别以不同角度射出；

一组微透镜阵列，用于接收入射的P偏极光与S偏极光；所述微透镜阵列为透明块状结构体，微透镜阵列的入光面与出光面呈相互平行，且入光面与出光面上设有位置相对的透镜阵列面；所述透镜阵列面设有多个连续且紧密排列的透镜单元，以使P偏极光与S偏极光的光线经第一个透镜单元的聚光与折射，呈左右交叉对称地进入第二个透镜阵列面中各相对应的透镜单元，且第二个透镜阵列面的透镜单元改变光束的方向，以使P偏极光与S偏极光以同方向且并排方式射出；

一偏光装换片，设于透镜阵列的出光侧；所述偏光装换片设有等间隔排列的覆层，以构成具有相位延迟特性的偏光转换区和不具有相位延迟特性的透光区；所述偏光转换区和透光区均与微透镜阵列中的透镜单元对齐，且一组偏光转换区和透光区各占一个透镜单元面积的一半；

光线经过偏光转换片后均形成同一性质的偏极光线，以供液晶显示器显像。

2.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述透镜单元为长柱形面透镜，且与偏光转换片的偏光转换区和透光区的位置相对。

3.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述微透镜阵列为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述微透镜阵列由两块具有透镜单元的半块体构成；所述两块半块体为对称的块状透镜，且两半块体的外侧均凸出以形成多个连续且紧密排列且相互对齐的透镜单元。

5.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述发光单元为单一光源，且所述准直透镜仅为一组。

6.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述准直透镜为复数个光学元件组成的阵列。

7.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述发光单元至少为两个。

8.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述发光单元为发光二极体。

9.根据权利要求1所述的一种使用偏极光转换器的高效率抬头显示器照明***，其特征在于，所述偏光转换片上的偏光转换区具有半波相位延迟特性，且偏光转换片的相位延迟轴与偏极光的电场偏振方向呈45度。