CN105785567A - 一种新型抬头显示仪及其光源系统 - Google Patents

Abstract

为解决现有抬头显示仪内光源系统有的利用率较低、有的均匀性较差有的结构比较复杂的问题，本发明提供了一种结构简单、利用率高、均匀性好的新型抬头显示仪及其光源系统。光源系统包括若干呈阵列分布的背光灯和对应设置的若干呈阵列分布的聚光部件；其中，所述聚光部件呈碗型，包括入射光面、出射光面以及设置在所述入射光面和出射光面之间的全反射面；所述入射光面的中心处设有向所述出射光面凹陷的凹孔，所述凹孔的底部设有汇聚面；所述背光灯设置在所述入射光面的中心处。本发明实施例提供的光源系统，其出射光线更加均匀，同时，也显著提高了抬头显示仪的光利用率。其结构也相对简单，成本低。

Description

一种新型抬头显示仪及其光源系统

技术领域

本发明涉及汽车领域，尤其指汽车上的抬头显示仪领域。

背景技术

目前安装在汽车上的抬头显示仪(英文简称：HUD，英文全称：HeadUpDisplay)。主要采用透射式显示屏，从光源系统中的背光灯发出的光透过透射式液晶屏并经过后续光学元件和汽车上前挡风玻璃反射后，光的损失率在99％以上，在HUD整个光路系统中，改善镜面、前挡风玻璃或液晶显示屏对减少光的损失效果不佳，局限性较大。

为提高液晶显示屏对光的利用率，目前常用的有三种方法：第一种是缩短光源系统与显示屏的距离，使光源的光线几乎都能到达显示屏。这种方法的显著缺点是，均匀性非常差，在背光超过一定亮度时显示屏由于温度过高中间出现黑洞。第二种方法是在每个背光灯前粘贴一个平凸透镜，并在从背光灯到液晶显示屏之间的外壳上增加反射膜，此方法结构较简单制造成本低，而且使得液晶显示屏的照度较大。但此方法不能将光线出射角聚拢，光线经反射膜反射后，与主轴的夹角大，出光角度一般为50°以上，此类光线经过反射镜和前挡风玻璃后多数损失，无法到达人眼，这意味着光线的整体利用率会降低，对提高整个光路系统的光利用率作用不大。第三种方法是，先用细长的内壁镀有反光膜的管子将每个背光灯圈起来，然后在管子上方添加聚光和光均匀透镜。光线在镀有反射膜的管子中发生多次镜面反射，光线的出射角度减小，从管子中出来的光线通过透镜被聚光和均匀化，故照射到液晶显示屏的光线是与主轴夹角较小的均匀光束。这种方法使得照射到液晶显示频的光线接近准直光线，可提高整个系统对光的利用率，但是光在管子中经过多次镜面反射，损失较大，利用率低，而且结构复杂，制造成本高。

发明内容

为解决现有抬头显示仪内光源系统有的利用率较低、有的均匀性较差有的结构比较复杂的问题，本发明提供了一种结构简单、利用率高、均匀性好的新型抬头显示仪及其光源系统。

本发明一方面提供了一种新型抬头显示仪的光源系统，其包括若干呈阵列分布的背光灯和对应设置的若干呈阵列分布的聚光部件；

其中，所述聚光部件呈碗型，包括入射光面、出射光面以及设置在所述入射光面和出射光面之间的全反射面；

所述入射光面和出射光面为平面；所述入射光面的中心处设有向所述出射光面凹陷的凹孔，所述凹孔的底部设有汇聚面；

所述背光灯设置在所述入射光面的中心处；所述汇聚面和所述全反射面均为二次曲线旋转形成的二次曲面；

所述背光灯发出的光线部分经该凹孔内的汇聚面汇聚后从所述出射光面出射，部分光线经所述全反射面反射后从所述出射光面出射。

优选地，所述背光灯呈阵列分布在一背光板上。

优选地，所述汇聚面、全反射面为圆锥面、椭圆锥面、球面、椭球面、椭圆抛物面中的一种。

优选地，所述汇聚面为球面，所述全反射面面为圆锥面、椭圆锥面、椭球面或椭圆抛物面中的一种。

优选地，所述若干呈阵列分布的聚光部件固定在一聚光基板上。

优选地，所述聚光部件与所述聚光基板一体成型。

优选地，所述背光板上设有固定槽，所述聚光基板安装在所述固定槽内；

或者所述聚光部件的入射光面胶粘在所述背光板上。

优选地，所述聚光部件的材料为PMMA、PC或者COC的一种。

本发明实施例采用的光源系统，由于其包括对应设置的呈阵列分布的背光灯和聚光部件，其聚光部件呈碗型，包括入射光面、出射光面和在入射光面和出射光面之间设置的全反射面，并在入射光面上设置凹孔，该凹孔内设置汇聚面，如此，背光灯上出射角度较小的光线将被该汇聚面聚光，而出射角度较大的光线将被该全反射面全反射后聚拢，均匀化，经该聚光部件聚光后的光线，其出射角度(出射光线与主光轴夹角)小于15°，同时，研究人员在对其透射式显示屏表面照度进行分析时，试验结果表明其出射光线更加均匀，同时，也显著提高了抬头显示仪的光利用率，光源系统的光利用率高达85％。其结构也相对简单，成本低。

本发明第二方面提供了一种新型抬头显示仪，包括光源系统和透射式显示屏；所述光源系统位于所述透射式显示屏下方，其中，所述光源系统为上述第一方面提供的所述的光源系统。

本发明实施例公开的新型抬头显示仪，由于其包括上述光源系统，因此，其抬头显示仪出射光线更加均匀，光利用率更高。其结构也相对简单，成本低。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的抬头显示仪光路原路图；

图2是本发明具体实施方式中提供的光源系统示意图；

图3是本发明具体实施方式中提供的聚光部件剖面示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的聚光部件立体示意图。

其中，1、聚光部件；2、聚光基板；3、透射式显示器；4、背光灯；11、出射光面；12、入射光面；13、凹孔；14、全反射面；15、汇聚面；16、柱面。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本例将对本发明提供的新型抬头显示仪的光源系统进行具体解释说明，如图1、图2所示，其包括若干呈阵列分布的背光灯4和对应设置的若干呈阵列分布的聚光部件1；

如图3、图4所示，所述聚光部件1呈碗型，包括入射光面12、出射光面11以及设置在所述入射光面12和出射光面11之间的全反射面14；

所述入射光面12和出射光面11为平面；所述入射光面12的中心处设有向所述出射光面11凹陷的凹孔13，所述凹孔13的底部设有汇聚面15；

其中，所述背光灯4呈阵列分布在一背光板(图中未示出)上。所述背光灯4是一种光源，一般为LED灯(中文全称：发光二极管，英文全称：LightEmittingDiode)或者冷阴极萤光灯管(英文全称：ColdCathodeFluorescentLamp，英文简写：CCFL)。背光板的材质为玻纤，或者陶瓷。

所述背光灯4设置在所述入射光面12的中心处；所述汇聚面15和所述全反射面14均为二次曲线旋转形成的二次曲面；该二次曲线(或称圆锥曲线)可以是圆、椭圆、双曲线、抛物线等，在截面上的直角坐标系(x，y)之下，这些曲线的方程是x，y的二元二次方程：ax²+2bxy+cy²+2dx+2ey+f＝0。其中，所谓的二次曲面为所述汇聚面、全反射面为圆锥面、椭圆锥面、球面、椭球面、椭圆抛物面中的一种。

其中，上述汇聚面15和全反射面14最好都为圆锥面、椭圆锥面、球面、椭球面、椭圆抛物面中的一种，但由于二次曲面制造成本高，且汇聚面15设置在凹孔13中，更加不易制作，因此，为减少成本考虑，也可以将该汇聚面15制作成球面，因球面的制作成本低。优选地，所述汇聚面15为球面，所述全反射面14为圆锥面、椭圆锥面、椭球面或椭圆抛物面中的一种。虽然球面的效果差些，但成本低，本领域技术人员可以根据成本和光利用率具体衡量。研究人员研发过程中发现，采用汇聚面15和全反射面14均采用圆锥面、椭圆锥面、椭球面、椭圆抛物面中的一种，其光源系统的光利用率为85％，即使汇聚面降低要求采用球面，全反射面均采用圆锥面、椭圆锥面、椭球面、椭圆抛物面中的一种，其光源系统的光利用率也高达82％。

其中，所谓所述背光灯4设置在所述入射光面12的中心处，指背光灯4的发光面与该入射光面在同一平面内，同时，背光灯4的发光面与凹孔13的中心重合。背光灯4的发光角度(发光角度为发光强度为50％的光线所夹的角度)一般在60-180°内。比如120°。

所述背光灯4发出的部分光线(大部分)经所述全反射面14反射后从所述出射光面11出射，部分经该凹孔13内的汇聚面14汇聚后从所述出射光面11出射，用来补强中心光强。如此，每个背光灯4发出的光分别在与其对应的聚光部件1中被聚拢，并均匀化，其聚光部件聚光后的光束出射角度(出射光线与主光轴夹角)小于15°，使得透射式显示屏3上接收到均匀的光线。

该聚光部件1的尺寸并不特别限定，技术人员可根据背光灯4的尺寸以及对聚光效果和均匀性的要求进行具体设置。下面仅作示例说明，本例中，其入射光面12的直径约为2.5-2.6mm，比如2.58mm；其出射光面11的直径约为8-10mm，比如8mm。入射光面12至出射光面11之间的距离约为4-7mm，比如4.8mm。其中，如图3、图4所示，本例中的全反射面14和出射光面11之间还衔接有一柱面16，该柱面16的高度为0.2-2mm，比如0.5mm。

上述凹孔13的大小与背光灯4相适配，与该背光灯4相当或者略大于该背光灯4，比如，背光灯4的尺寸为1×1mm，(请在此处补充背光灯的尺寸)该凹孔13的直径约为1.8-2.5mm；本例中设置为2mm；该凹孔13的孔深约1.5-3mm，本例中具体为1.83mm。

关于该聚光部件1的安装方式，可以直接将其安装在背光板上，将每个聚光部件1罩在对应的背光灯4上；并通过胶粘或者卡接等方式固定。或者，作为优选的实施方式，将所述若干呈阵列分布的聚光部件1固定在一聚光基板2上。该聚光部件1可以通过胶粘或者其他方式固定在聚光基板2上，或者可以与所述聚光基板2一体成型，优选采用一体成型的方式。该聚光基板2一方面可以作为安装聚光部件1的基体，同时，还可以作为遮热板，起到降低背光灯4和透射式显示屏3之间热量传播的作用，具备一定的隔热作用，使透射式显示屏3的温度在工作范围之内，防止对透射式显示屏3造成不必要的影响。

关于该聚光基板2的固定方式，由于在背光板和透射式显示屏3之间常常加装有外壳，外壳内形成通光孔，背光板上的背光灯4出射后的光线从该通光孔中射向透射式显示屏3。因此，可以将该聚光基板2固定安装在该外壳内。

或者，可以在所述背光板上设有固定槽，将所述聚光基板2安装在所述固定槽内。或者可以同时或单独的将所述聚光部件1的入射光面12胶粘在所述背光板上。

其中，所述聚光部件1的材料为PMMA(学名是聚甲基丙烯酸甲酯，俗称亚克力或有机玻璃)、PC(学名是聚碳酸酯，英文全称：Polycarbonate)或者COC(环烯烃共聚物)中的一种。优选采用PMMA制成。

本发明实施例采用的光源系统，由于其包括对应设置的呈阵列分布的背光灯4和聚光部件1，其聚光部件1呈碗型，包括入射光面12、出射光面11和在入射光面12和出射光面11之间设置的全反射面14，并在入射光面12上设置凹孔13，该凹孔13内设置汇聚面15，如此，背光灯4上出射角度小的光线将被该汇聚面15聚光，而出射角度大的光线将被该全反射面14全反射后聚拢，均匀化，经该聚光部件1聚光后的光线，其出射角度(出射光线与主光轴夹角)小于15°，同时，研究人员在对其透射式显示屏3表面照度进行分析时，试验结果表明其出射光线更加均匀，同时，也显著提高了抬头显示仪的光利用率，以背光灯4发光角度为120°为例，光源系统的光利用率高达85％。其结构也相对简单，成本低。

实施例2

本例提供了一种新型抬头显示仪，如图1所述，包括光源系统和透射式显示屏3；所述光源系统位于所述透射式显示屏3下方，其中，所述光源系统为上述实施例1提供的所述的光源系统。

关于透射式显示屏3，可以为透射式液晶显示屏或者其他显示器件(比如还有半反半透式的LCOS(中文全称：硅芯片液晶，英文全称：liquid-crystal-on-silicon)显示屏，反射式的DLP(英文全称：DigitalLightProcession，中文全称：数字光处理)显示屏)。

关于抬头显示仪，一般还包括上述外壳，上述光源系统和透射式显示屏均安装于该外壳上，该可能包括其他的光路或者部件。关于上述外壳、其他的光路或者部件均可采用本领域技术人员公知的方式。本例中仅对其光源系统进行改进，而该光源系统已在实施例1中做了具体解释说明，因此，不再赘述。

本发明实施例公开的新型抬头显示仪，由于其包括上述光源系统，因此，其抬头显示仪出射光线更加均匀，光利用率更高。其结构也相对简单，成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型抬头显示仪的光源系统，其特征在于，包括若干呈阵列分布的背光灯和对应设置的若干呈阵列分布的聚光部件；

其中，所述聚光部件呈碗型，包括入射光面、出射光面以及设置在所述入射光面和出射光面之间的全反射面；

所述入射光面和出射光面为平面；所述入射光面的中心处设有向所述出射光面凹陷的凹孔，所述凹孔的底部设有汇聚面；

所述背光灯设置在所述入射光面的中心处；所述汇聚面和所述全反射面均为二次曲线旋转形成的二次曲面；

所述背光灯发出的光线部分经该凹孔内的汇聚面汇聚后从所述出射光面出射，部分光线经所述全反射面反射后从所述出射光面出射。

2.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述背光灯呈阵列分布在一背光板上。

3.根据权利要求2所述的光源系统，其特征在于，所述汇聚面、全反射面为圆锥面、椭圆锥面、球面、椭球面、椭圆抛物面中的一种。

4.根据权利要求3所述的光源系统，其特征在于，所述汇聚面为球面，所述全反射面为圆锥面、椭圆锥面、椭球面或椭圆抛物面中的一种。

5.根据权利要求3-4中任意一项所述的光源系统，其特征在于，所述若干呈阵列分布的聚光部件固定在一聚光基板上。

6.根据权利要求5所述的光源系统，其特征在于，所述聚光部件与所述聚光基板一体成型。

7.根据权利要求6所述的光源系统，其特征在于，所述背光板上设有固定槽，所述聚光基板安装在所述固定槽内；

或者所述聚光部件的入射光面胶粘在所述背光板上。

8.根据权利要求1所述的光源系统，其特征在于，所述聚光部件的材料为PMMA、PC或者COC的一种。

9.根据权利要求1所述的一种新型抬头显示仪，包括光源系统和透射式显示屏；所述光源系统位于所述透射式显示屏下方，其特征在于，所述光源系统为权利要求1-8中任意一项所述的光源系统。