CN109459885A - 背光单元和平视显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制亮度不均的发生的背光单元和平视显示装置。背光单元(20)中，偏光板(28)以透过液晶面板(10)的光(11)的振动方向为基准振动方向，使从聚光部件(23)入射的光(11)中的在与基准振动方向正交的方向上振动的光(11)向四分之一波片(29)透过，将来自微反射镜阵列(25)侧的在基准振动方向上振动的光(11)向液晶面板(10)反射。四分之一波片(29)将从偏光板(28)侧入射并透过到微反射镜阵列(25)侧的光(11)转换成第1偏光，并将由微反射镜阵列(25)反射并透过到偏光板(28)侧的第1偏光转换成在与基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。

Description

背光单元和平视显示装置
技术领域
本发明涉及背光单元和平视显示装置。
背景技术
以往，存在被用于平视显示装置等的背光单元。例如，在专利文献1中，通过在利用平行光生成单元使光源的光成为平行光之后，利用透镜阵列从平行光生成多个光源像的光，经由聚光透镜等在液晶面板上聚光，从而实现减轻液晶面板的亮度不均。另外，在专利文献1中，通过在光源与液晶面板之间的光路上配置反射部并使光路折返，从而缩短了背光单元的进深方向的长度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－65908号公报
发明内容
本发明欲解决的技术问题
近年来，伴随着平视显示装置的大画面化、高清晰度化，液晶面板不断地扩大，产生了背光单元的照明范围的扩大化的必要性。例如，在对使光路折返的反射镜使用凹面镜而使照明范围扩大的情况下，为了避免聚光透镜等光学零件与光路的干涉，需要在凹面镜中的光的反射的前后使光轴具有角度，但是，凹面镜中的光的反射位置的不同成为产生亮度不均的主要原因。
本发明的目的在于提供一种能够抑制亮度不均的发生的背光单元和平视显示装置。
用于解决问题的技术方案
为了达成上述目的，本发明的背光单元的特征在于，包括：光源；聚光部件，其对从上述光源射出的光进行聚光；光学部件，其具有与上述聚光部件对置的凹状的反射面，利用上述反射面将从上述聚光部件入射的光向上述聚光部件反射；偏光板，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上，使从上述聚光部件入射的光的一部分透过，且将从上述光学部件侧入射的光向透光型的液晶显示元件反射；四分之一波片，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上且相对于上述偏光板靠上述光学部件侧的位置；以及扩散板，其被配置在上述偏光板与上述液晶显示元件之间的光路上，上述偏光板以透过上述液晶显示元件的光的振动方向为基准振动方向，使从上述聚光部件入射的光中的在与上述基准振动方向正交的方向上振动的光向上述四分之一波片透过，且将来自上述光学部件侧的在上述基准振动方向上振动的光向上述液晶显示元件反射，上述四分之一波片将从上述偏光板侧入射并向上述光学部件侧透过的光转换成第1偏光，并且，将由上述光学部件反射并透过到上述偏光板侧的上述第1偏光转换成在与上述基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。
在上述背光单元中，优选的是，上述光学部件的上述反射面由多个微小反射镜构成，各上述微小反射镜为凸状或凹状的曲面。
在上述背光单元中，优选的是，上述光学部件由沿着上述反射面形成的多个微小透镜构成，各上述微小透镜具有：为凸状或凹状的曲面的透镜面；以及与上述透镜面对应的微小反射面。
为了达成上述目的，本发明的平视显示装置的特征在于，至少包括：透光型的液晶显示元件；以及背光单元，上述背光单元包括：光源；聚光部件，其对从上述光源射出的光进行聚光；光学部件，其具有与上述聚光部件对置的凹状的反射面，利用上述反射面使从上述聚光部件入射的光向上述聚光部件折返；偏光板，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上，使从上述聚光部件入射的光的一部分透过，且将从上述光学部件侧入射的光向透光型的液晶显示元件反射；四分之一波片，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上且相对于上述偏光板靠上述光学部件侧的位置；以及扩散板，其被配置在上述偏光板与上述液晶显示元件之间的光路上，上述偏光板以透过上述液晶显示元件的光的振动方向为基准振动方向，使从上述聚光部件入射的光中的在与上述基准振动方向正交的方向上振动的光向上述四分之一波片透过，且将来自上述光学部件侧的在上述基准振动方向上振动的光向上述液晶显示元件反射，上述四分之一波片将从上述偏光板侧入射并透过到上述光学部件侧的光转换成第1偏光，并且将从上述光学部件侧入射并透过到上述偏光板侧的光转换成在与上述基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。
发明效果
根据本发明的背光单元和平视显示装置，发挥能够抑制亮度不均的发生这样的效果。
附图说明
图1是实施方式的平视显示装置的概略结构图。
图2是实施方式的背光单元的概略结构图。
图3是实施方式的微反射镜阵列的主视图。
图4是实施方式的微小反射镜的立体图。
图5是实施方式的微反射镜阵列的局部放大图。
图6是实施方式的变形例的微型透镜阵列的概略结构图。
附图标记说明
1 平视显示装置
2 放大镜
3 显示单元
10 液晶面板
11 光
12 光源像
20 背光单元
21 光源
23 聚光部件
25 微反射镜阵列
26 反射面
27 微小反射镜
28 偏光板
29 四分之一波片
30 扩散板
34 微型透镜阵列
35 透镜阵列面
36 反射面
37 微小透镜
37a 透镜面
37b 微小反射面
101 风挡
110 虚像
200 驾驶员
201 眼点
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的背光单元的实施方式。此外，并非利用本实施方式来限定本发明。另外，下述的实施方式中的构成要素中包含本领域技术人员容易想到的构成要素、或者实质上相同的构成要素。另外，下述的实施方式中的构成要素能够在不脱离发明的主旨的范围进行各种省略、替换、变更。
[实施方式]
图1是实施方式的平视显示装置的概略结构图。图2是实施方式的背光单元的概略结构图。图3是实施方式的微反射镜阵列的主视图。图4是实施方式的微小反射镜的立体图。图5是实施方式的微反射镜阵列的局部放大图。此外，图2示出从侧方侧观察背光单元的情况下的各要素的位置关系。图3是从反射面侧主视微反射镜阵列的图。
如图1所示，本实施方式的平视显示装置1被配置在例如汽车等车辆(未图示)的前围板(未图示)的内侧，将显示图像投影于风挡101。平视显示装置1将显示图像投影于风挡101上，从而在驾驶员200的眼点201的前方显示虚像110。眼点201是作为就座于驾驶座(未图示)的驾驶员200的视点位置而被预先确定的位置。驾驶员200将由风挡101反射后的图像作为虚像110进行识别。对于驾驶员200而言，虚像110被识别于比风挡101靠前方的位置。平视显示装置1包含放大镜2和显示单元3而构成。放大镜2将从显示单元3射出的显示光向风挡101反射。放大镜2例如由非球面镜构成。显示单元3射出与显示图像对应的显示光。显示单元3包含液晶面板10和背光单元20而构成。
液晶面板10是液晶显示元件。液晶面板10例如由透光型或半透光型的TFT液晶(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display：薄膜晶体管液晶显示器)等构成。液晶面板10通过从背面侧被照亮，从而使表面侧的显示面发光。
背光单元20将液晶面板10从背面侧照亮。背光单元20由从车辆内的电源(未图示)得到的直流电力驱动。如图2所示，背光单元20包含光源21、聚光部件23、微反射镜阵列25、偏光板28、四分之一波片29、以及扩散板30而构成。
光源21包括一个发光二极管(LED：Light Emitting Diode)。光源21由从车辆内的电源得到的直流电力驱动。光源21根据来自控制部的ON/OFF信号而点亮或熄灭。光源21例如被固定于未图示的基板等。基板也可以在背面侧固定有散热器(未图示)。散热器将蓄积在基板中的热向背光单元20的外部放出。
聚光部件23对从光源21射出的光进行聚光。聚光部件23例如是由玻璃、透明树脂构成的聚光透镜。聚光部件23包括：凸状曲面的透镜面23a；具有透镜面23a的透镜主体部23b；以及沿着透镜主体部23b的外周而设置的凸缘部23c。
微反射镜阵列25是光学部件。微反射镜阵列25例如由树脂材料等构成。微反射镜阵列25具有与聚光部件23对置的凹状的反射面26，利用反射面26将从聚光部件23入射的光11向聚光部件23反射。微反射镜阵列25被配置在与聚光部件23对置的位置。微反射镜阵列25的反射面26由多个微小反射镜27构成。微反射镜阵列25将多个微小反射镜27如苍蝇的眼睛(复眼)那样网格状地排列。如图3所示，多个微小反射镜27例如在反射面26的X方向及与X方向正交的Y方向上排列有多个。各微小反射镜27例如在主视下呈长方形状。微小反射镜27在X方向上具有长度为x的长边，在Y方向上具有长度为y的短边。换言之，微小反射镜27在X方向上具有长度为x的镜宽度，在Y方向上具有长度为y的镜高度。本实施方式的微小反射镜27在X方向上具有相同长度的镜宽度，且在Y方向上具有相同的长度的镜高度。此外，微小反射镜27的镜宽度与镜高度也可以是相同的长度。如图4所示，微小反射镜27是凸状的曲面。本实施方式的微小反射镜27例如是凸状的部分球面。微小反射镜27在X方向及Y方向上具有相同的曲率半径R。本实施方式的微小反射镜27在X方向上具有相同的发散角φ，在Y方向上具有相同的发散角φ。如图2所示，发散角φ是微小反射镜27所反射的光11相对于的光轴扩散的角度。因为当发散角φ变大时，变得容易产生背光单元20的亮度不均，所以优选发散角φ以全角计为50°以下。
偏光板28被配置在聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路上。偏光板28是所谓的反射型偏光板。本实施方式的偏光板28使从聚光部件23入射的光的一部分透过，且将从微反射镜阵列25侧入射的光向液晶面板10反射。偏光板28被相对于聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路倾斜地配置，以使得从聚光部件23朝向微反射镜阵列25侧的光透过、且从微反射镜阵列25反射的光将液晶面板10的整个面照亮。偏光板28被配置在相对于该光路的方向倾斜45°的位置，以使得光朝向液晶面板10，所述液晶面板10平行于聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路地配置。偏光板28例如由线栅偏光板等构成。线栅偏光板是在基板上蒸镀金属材料并利用纳米级的微细蚀刻来形成了线状的网格的偏光板。
四分之一波片29在聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路上被配置在相对于偏光板28靠微反射镜阵列25侧。四分之一波片29被配置在从偏光板28朝向微反射镜阵列25侧的光会透过、且从微反射镜阵列25反射的光会透过并朝向偏光板28侧的位置。换言之，四分之一波片29处于微反射镜阵列25的附近，并被配置为一个平面与微反射镜阵列25的反射面26对置。四分之一波片29是所谓的波长板的一种，例如由双折射材料等构成。四分之一波片29使振动方向相互正交的2个直线偏光具有相位差(光程差)。
四分之一波片29在入射光为直线偏光的情况下转换为圆偏光并射出，在入射光为圆偏光的情况下转换为直线偏光并射出。具体而言，四分之一波片29将入射光中在相对于上述四分之一波片29的光学轴(高速轴)倾斜45°的方向上振动的直线偏光转换成圆偏光并射出，而将射入的圆偏光转换成在相对于光学轴进一步倾斜45°的方向上振动的直线偏光并射出。本实施方式的四分之一波片29将从偏光板28侧入射并向微反射镜阵列25侧透过的光从直线偏光转换成圆偏光，在微反射镜阵列25侧反射并向偏光板28侧透过的光从圆偏光转换成直线偏光。即，四分之一波片29使入射光从偏光板28侧向微反射镜阵列25侧透过，并且通过在微反射镜阵列25侧反射并向偏光板28侧透过，能够将入射的直线偏光的振动方向转换为在倾斜90°的方向上振动的直线偏光。
扩散板30被形成为片状或薄板状，被配置在偏光板28与液晶面板10之间的光路上。扩散板30使由偏光板28反射后的光11向液晶面板10扩散。
接下来，参照图2及图5说明本实施方式的背光单元20的作用。首先，如图2所示，从光源21射出的光11入射到聚光部件23。入射到聚光部件23的光11透过透镜主体部23b并从透镜面23a射出。从透镜面23a射出的光11经由偏光板28及四分之一波片29而被聚光到微反射镜阵列25上。即，聚光部件23被构成为使从光源21射出的光11聚光于微反射镜阵列25。被聚光到微反射镜阵列25上的光11既可以是平行光，也可以是发散光、收束光。
偏光板28使从聚光部件23入射的光11中的在与基准振动方向正交的方向上振动的光11透过。此处，基准振动方向设为透过液晶面板10的光的振动方向。通过使从聚光部件23朝向微反射镜阵列25侧的光11透过偏光板28，从而得到与偏光板28的透射轴平行的直线偏光。透过偏光板28的光透过四分之一波片29并朝向微反射镜阵列25。四分之一波片29将从偏光板28侧入射并向微反射镜阵列25侧透过的光转换成在相对于基准振动方向倾斜45°的方向上振动的圆偏振光的第1偏光。该第1偏光是使直线偏光的光学轴旋转45°后的偏光。使光学轴旋转的方向可以是左右方向中的任一方。
入射到微反射镜阵列25的光(第1偏光)由反射面26向聚光部件23侧反射。如图5所示，构成反射面26的多个微小反射镜27利用入射的光在与反射面26相反侧的面的附近形成光源像12。光源像12是所谓的二次光源。优选地，以使得来自各光源像12的光经由四分之一波片29并由偏光板28反射从而将液晶面板10的整个面照亮的方式来确定各微小反射镜27的凸状的曲面的形状。即，优选地，以将液晶面板10的整个面照亮的方式来设计各微小反射镜27的曲率1/R、发散角φ、镜宽度、镜高度、节距等。此外，节距是2个相邻的微小反射镜27的中心点间的距离。反射面26所反射的光再次透过四分之一波片29并朝向偏光板28。四分之一波片29将由微反射镜阵列25反射并透过到偏光板28侧的光(第1偏光)转换成在与基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。第2偏光是相对于第1偏光使光学轴进一步旋转45°后的偏光。即，第2偏光是通过2次透过四分之一波片29从而在相对于与基准振动方向正交的方向倾斜了90°的方向即与基准振动方向相同的方向上振动的直线偏光。
从微反射镜阵列25侧入射到偏光板28的光(第2偏光)向液晶面板10反射。即，偏光板28将在与基准振动方向相同的方向上振动的光(第2偏光)向液晶面板10反射。由偏光板28反射后的光透过扩散板30并入射到液晶面板10。入射到液晶面板10的光因为与透过液晶面板10的光的振动方向即基准振动方向一致，所以适合作为照亮液晶面板10的光。
如以上说明的那样，本实施方式的背光单元20包括：光源21；聚光部件23，其对从光源21射出的光11进行聚光；微反射镜阵列25，其具有与聚光部件23对置的凹状的反射面26，利用反射面26将从聚光部件23入射的光11向聚光部件23反射；偏光板28，其被配置在聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路上，使从聚光部件23入射的光11的一部分透过，且将从微反射镜阵列25侧入射的光11向液晶面板10反射；四分之一波片29，其被配置在聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路上，且相对于偏光板28被配置在微反射镜阵列25侧；以及扩散板30，其被配置在偏光板28与液晶面板10之间的光路上。偏光板28以透过液晶面板10的光的振动方向为基准振动方向，将从聚光部件23入射的光11中的在与基准振动方向正交的方向上振动的光向四分之一波片29透过，且将来自微反射镜阵列25侧的在基准振动方向上振动的光向液晶面板10反射。四分之一波片29将从偏光板28侧入射并透过到微反射镜阵列25侧的光转换成第1偏光，且将由微反射镜阵列25反射并透过到偏光板28侧的第1偏光转换成在与基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。
另外，本实施方式的平视显示装置1包括放大镜2、液晶面板10、以及背光单元20。
具有上述构成的背光单元20及平视显示装置1能够在微反射镜阵列25中的光的反射的前后使光轴一致，能够使得偏角量α最小(＝0°)。例如，如图5所示，偏角量α是指向液晶面板10的反射光相对于来自聚光部件23的入射光所成的全角。通过将该偏角量α设为0°，从而能够将聚光部件23与微反射镜阵列25间的光路、和微反射镜阵列25与液晶面板10间的光路设为大致等距离，能够抑制亮度不均的发生。另外，因为亮度不均被减轻，所以能够抑制因眼点201的移动而被识别的虚像110的明亮度的不均。另外，通过使光路折返，从而能够实现背光单元20的小型化。另外，因为在光路上组合地配置偏光板28和四分之一波片29，所以能够使光路的折返方式、配置的自由度不受制约地构成照明用的光学***。进一步，因为在从液晶面板10离开的位置配置偏光板28，并使其承担由不透过液晶面板10的光所产生的热，所以能够抑制液晶面板10的温度上升。因为液晶面板10的温度上升被抑制，所以能够降低液晶面板10的耐热温度，能够实现低成本化。
另外，在具有上述构成的背光单元20及平视显示装置1中，微反射镜阵列25的反射面26由多个微小反射镜27构成，各微小反射镜27为凸状曲面。由此，能够形成多个光源像12，能够利用各光源像12来照亮液晶面板10的整个面。其结果，能够抑制液晶面板10的亮度不均。另外，以往，为了照亮液晶面板的整个面，需要透镜阵列的大小和多个光源，但是，因为能够利用微反射镜阵列25来形成多个光源像12，所以不需要多个光源，能够实现光学***的小型化。进一步，在使用多个光源的情况下，在光重叠的部分产生了亮度不均，但是，因为变得能够用一个光源21进行照明，所以减少了电力消耗，并且能够减轻亮度不均。
此外，在上述实施方式中，作为光学部件，利用了微反射镜阵列25，但不限定于此。图6是实施方式的变形例的微型透镜阵列的概略结构图。变形例的背光单元20包含光源21、聚光部件23、微型透镜阵列34、偏光板28、四分之一波片29、以及扩散板30而构成。微型透镜阵列34由沿着反射面36形成的多个微小透镜37构成。各微小透镜37具有：为凹状的曲面的透镜面37a；以及与透镜面37a对应的微小反射面37b。透镜面37a如苍蝇的眼(复眼)那样被网格状地多个排列。多个透镜面37a构成所谓的透镜阵列面35。微小反射面37b构成反射面36。反射面36是所谓的分段镜(facet mirror)面。
当入射到微型透镜阵列34的光11从透镜面37a入射到微小透镜37内时，会聚并朝向微小反射面37b。由微小反射面37b反射的光11在透镜面37a的顶点成像。该顶点是光源像12。从透镜面37a的顶点到微小反射面37b的距离为1/2f。本实施方式的微小透镜37在从微小反射面37b离开距离1/2f的透镜面37a的顶点处形成作为二次光源的光源像12。本实施方式的变形例的背光单元20及平视显示装置1因为除了上述效果之外，还能够利用微小透镜37和微小反射面37b的阵列构造，形成对入射角的误差容错度高、且发散角的误差较小的二次光源(光源像12)，所以能够提高二次光源的亮度的效率。
[变形例]
在上述实施方式及变形例中，光源21由一个发光二极管构成，但不限定于此。光源21例如也可以是将多个发光二极管集中成一个而成的光源。另外，光源21只要发出高亮度的光即可，不限定于发光二极管。
在上述实施方式中，微小反射镜27在主视下呈长方形状，但不限定于此，也可以是正方形状、圆形、六边形状。另外，微小反射镜27为凸状的曲面，但不限定于此，也可以是凹状的曲面。
在上述实施方式中，偏光板28被配置在相对于聚光部件23与微反射镜阵列25之间的光路呈45°倾斜角的位置，但不限定于此，也可以被配置在与液晶面板10的位置相应的倾斜角的位置。
另外，在上述实施方式及变形例中，在平视显示装置1中，显示图像的投影对象为风挡101，但不限定于此，例如也可以是合成器等。
另外，在上述实施方式及变形例中，说明了将平视显示装置1应用于车辆的情况，但不限定于此，例如也可以应用于船舶、飞行器等车辆以外的用途。

Claims (4)

1.一种背光单元，其特征在于，
包括：
光源；
聚光部件，其对从上述光源射出的光进行聚光；
光学部件，其具有与上述聚光部件对置的凹状的反射面，利用上述反射面将从上述聚光部件入射的光向上述聚光部件反射；
偏光板，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上，使从上述聚光部件入射的光的一部分透过，且将从上述光学部件侧入射的光向透光型的液晶显示元件反射；
四分之一波片，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上且相对于上述偏光板靠上述光学部件侧的位置；以及
扩散板，其被配置在上述偏光板与上述液晶显示元件之间的光路上，
上述偏光板以透过上述液晶显示元件的光的振动方向为基准振动方向，使从上述聚光部件入射的光中的在与上述基准振动方向正交的方向上振动的光向上述四分之一波片透过，且将来自上述光学部件侧的在上述基准振动方向上振动的光向上述液晶显示元件反射，
上述四分之一波片将从上述偏光板侧入射并向上述光学部件侧透过的光转换成第1偏光，并且，
将由上述光学部件反射并透过到上述偏光板侧的上述第1偏光转换成在与上述基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。
2.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，
上述光学部件的上述反射面由多个微小反射镜构成，
各上述微小反射镜为凸状或凹状的曲面。
3.如权利要求1所述的背光单元，其特征在于，
上述光学部件由沿着上述反射面形成的多个微小透镜构成，
各上述微小透镜具有：为凸状或凹状的曲面的透镜面；以及与上述透镜面对应的微小反射面。
4.一种平视显示装置，其特征在于，
至少包括：
透光型的液晶显示元件；以及
背光单元，
上述背光单元包括：
光源；
聚光部件，其对从上述光源射出的光进行聚光；
光学部件，其具有与上述聚光部件对置的凹状的反射面，利用上述反射面使从上述聚光部件入射的光向上述聚光部件折返；
偏光板，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上，使从上述聚光部件入射的光的一部分透过，且将从上述光学部件侧入射的光向透光型的液晶显示元件反射；
四分之一波片，其被配置在上述聚光部件与上述光学部件之间的光路上且相对于上述偏光板靠上述光学部件侧的位置；以及
扩散板，其被配置在上述偏光板与上述液晶显示元件之间的光路上，
上述偏光板以透过上述液晶显示元件的光的振动方向为基准振动方向，使从上述聚光部件入射的光中的在与上述基准振动方向正交的方向上振动的光向上述四分之一波片透过，且将来自上述光学部件侧的在上述基准振动方向上振动的光向上述液晶显示元件反射，
上述四分之一波片将从上述偏光板侧入射并透过到上述光学部件侧的光转换成第1偏光，并且，
将从上述光学部件侧入射并透过到上述偏光板侧的光转换成在与上述基准振动方向相同的方向上振动的第2偏光。
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