CN108594432B - 一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统 - 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三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，包括：三个单色光源，三个单色光源的前方设有准直透镜，以使光线能向前射出,形成三個不同方向及色彩的平行光束；一组微透镜阵列，由透光材质构成块状结构体，且在相互平行的入光面和出光面上均设有位置相对的透镜阵列面；一彩色滤光片，并设于微透镜阵列的出光侧；使三种颜色光束各自穿透彩色滤光片上的色点而未被明显吸收，以使穿透率提升和色彩饱合度提高。本发明通过使三色光各自穿透彩色滤光片的色点而不被明显吸收，使得穿透率大幅提升，并使显示器色彩饱和度较佳；而且色三角较大，不需要扩散片，提高了照明系统的亮度，减少了光源的浪费。

Description

一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统

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三原色光源的高效率抬头显示器照明系统。

背景技术

抬头显示器(Head Up Display，以下简称为HUD)是由虚像投影系统的盒体及光合成器(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的系统，而在HUD系统中，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系统的可靠度，在车用系统严酷的环境条件下，显得特别重要。因此HUD的照明系统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系统，如图5和图6所示，包括有：多个发光源60，每一个发光源60都是由白光光源的发光二极体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，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扩散的光源进行聚光，从而形成具方向性的小角度以接近平行光的大面积(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)，扩散片62的作用是将由导光柱61出光面射出的光，扩散适当角度而形成均匀的面光源，用来作为后方LCD面板63的背光源而构成了现有的照明系统。

而传统技术中，发光源60用白色光源的发光二极体602罩上一个聚光杯601，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，虽然照明光线变得均匀柔和；但是光线的角度也会因此而扩散，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的使用上造成了光源的浪费。而且传统的照明系统白光光源经过后方液晶显示器中的彩色滤光片吸收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需要更好的照明系统，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三原色光源的高效率抬头显示器照明系统。

为实现上述目的，本发明采用如下方案。

一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统,其特征在于，包括：

一光源组，包括红、绿、蓝三个单色光源，且三个单色光源呈并排方式设置；光源组将光束射向前方；所述三个单色光源的前方设有准直透镜，以使光线能向前平行射出；

一组微透镜阵列，由透光材质构成块状结构体，且在相互平行的入光面和出光面上均设有位置相对的透镜阵列面；所述透镜阵列面均设有多个连续且紧密排列的透镜单元；当光源组的光线经准直透镜由入光侧射入微透镜阵列时，位于入光侧的第一个透镜阵列面上各紧密排列的透镜单元使入射光束分开为红、绿、蓝三个聚光光束，并投射至出光侧的第二个透镜阵列面对应位置的透镜单元上；所述第二个透镜阵列面对应位置的透镜单元改变各光束的方向，使各个红、绿、蓝聚光光束以垂直方向射出；

一彩色滤光片，配设于一液晶显示面板上，并设于微透镜阵列的出光侧；所述彩色滤光片上设有密集而规则的用于接收红色、绿色、蓝色光的色点，所述色点组成的像素分别对齐液晶显示器各像素中代表红色、绿色、蓝色影像输出的三个液晶显示单元；且所述微透镜阵列设有密集的透镜单元数量与液晶显示器上的像素总数相同并对齐；经微透镜阵列导向，三种颜色光束各自穿透彩色滤光片上的红、绿、蓝的色点而未被明显吸收，以使穿透率提升和色彩饱合度提高。

进一步地，所述微透镜阵列为透明材质，且一体成型。

进一步地，所述准直透镜为单一透镜。

进一步地，所述准直透镜由复数个透镜构成。

进一步地，所述光源组的单色光源为发光二极体或镭射二极体光源。

进一步地，所述光源组为复数个，且每个光源组均由红、绿、蓝光源构成。

进一步地，所述微透镜阵列的透镜阵列面上的透镜单元均为长形柱面透镜，且柱面透镜的宽度涵盖彩色滤光片上一行红、绿、蓝色点相对的像素。

本发明的有益效果：提供一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，能使三色光穿透彩色滤光片的色点而不被明显吸收，使得穿透率大幅提升，并使显示器色彩饱和度较佳；而且色三角较大，不需要扩散片，提高了照明系统的亮度，减少了光源的浪费。

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为本发明实施例的一种长形柱面微透镜阵列的立体结构示意图。

图4本发明实施例并列使用光源照明的示意图。

图5为传统的抬头显示器的光源系统分解图。

图6为传统的抬头显示器的光源系统组合剖视图。

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 光源组

11 单色光源

12 单色光源

13 单色光源

20 准直透镜

30 微透镜阵列

30’ 微透镜阵列

31 透镜阵列面

31’ 透镜阵列面

310 透镜单元

32 透镜阵列面

32’ 透镜阵列面

320 透镜单元

40 彩色滤光片

41 像素

41R 色点

41G 色点

41B 色点

50 液晶显示器

L 光束

L1 光束

L2 光束。

具体实施方式

本发明主要目的：将红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种颜色的单色光源组成的光源组从准直透镜射出，经微透镜阵列将光束导入一液晶显示器中的彩色滤光片中，而彩色滤光片上设有密集而规则的接收红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)光的色点，且色点分别对齐液晶显示器各像素(Pixel)中代表R、G、B影像输出的三个液晶显示单元；并且微透镜阵列具有密集的透镜单元数量与液晶显示器上的像素(Pixel)总数相同且对齐，使得三种颜色能各自穿透彩色滤光片上的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的色点而不被明显吸收，致使穿透率大幅提升；且使得液晶显示器的色彩饱合度较佳，而且色三角较大(即RGB三点连线组成的三角形区域)，不需要扩散片，明显提高了照明系统的亮度，并减少光源的浪费。

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实现：

至少包含有：一光源组，包括红、绿、蓝三个单色光源，光源组将光束射向前方；并在光源组前方设有准直透镜，以使光线能向前平行射出；一组微透镜阵列，由透光材质构成的块状结构体，且在相互呈平行的入光面和出光面均设有呈相对设置的透镜阵列面，透镜阵列面上均设有多个连续且紧密排列的透镜单元；当光源组的光线经准直透镜后射入微透镜阵列的第一个单元板上紧密排列的透镜单元时，将入射的光束分开为R,G,B三个方向的聚光光束，并且投射到出光侧的第二个透镜阵列面上的各对应位置的透镜单元上；第二个透镜阵列面上的各相对应的透镜单元改变各光束的方向，使各个R,G,B聚光光束以垂直方向射出；一彩色滤光片(可设于液晶显示器中，也可单独设置)，设于微透镜阵列的出光侧，彩色滤光片上设有密集而规则的用于接收红色、绿色、蓝色光的色点，色点组成的像素分别对齐液晶显示器各像素中代表红色、绿色、蓝色影像输出的三个液晶显示单元；且微透镜阵列具有密集的透镜单元数量与液晶显示器上的像素总数相同并对齐，从而使得三种颜色光束能各自穿透彩色滤光片上的红色、绿色、蓝色的色点未被明显吸收，以使液晶显示器的色彩饱合度及亮度提高。

本发明具有如下优点：

1、如图1和图2所示，本发明在使用时，光源组10的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)单色光源11,12,13发出之光束L射向前方，经准直透镜20形成平行光再射入微透镜阵列30的第一个透镜阵列面31上紧密排列的透镜单元310，使光束L1,L0,L2聚光，并投射到第二个透镜阵列面32上的透镜单元320上；由于微透镜阵列30具有密集的透镜单元310,320数量与液晶显示器上的像素(Pixel)总数相同且对齐，使得三种颜色光束L1,L0,L2聚光后能各自穿透彩色滤光片40上的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的色点41R,41G,41B使得液晶显示器50的色彩饱合度较佳，光线不被消耗过多，是本发明的主要优点

2、本发明光源组10是以三色对应于相对的像素41，因此红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种颜色的色彩饱合度较佳，而且色三角(Color Gamut)较大，这是本发明另一优点。

3、本发明并未采用传统的扩散片进行设置，因此光源并未被大量消耗。根据实验测试，以发光二极体来说，它对液晶面板的光线穿透率是传统技术一般规格(小于5％)的2至3倍，是本发明之又一优点。

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。

一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，如图1所示，至少包括：一光源组10，包括三个单色光源11,12,13，以红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三种颜色的发光二极体(LED)或镭射二极体光源作为优选实施例，光源组10将光束L射向前方；为使光线能向前平行射出，在光源组10的前方设有准直透镜20，准直透镜20可依实际需要而增加数量，为了兼顾效能和不占空间等要求，通常采用一个或二个准直透镜20进行设计，但本实施例附图中仅以一个作为示意。

一组微透镜阵列30，为透明块状的结构体，且在相互平行的入光面和出光面上均设有呈相对设置的透镜阵列面31,32，透镜阵列面31,32上分别设有多个连续且紧密排列的透镜单元310,320。其中图2所示的透镜单元310,320为多个紧密并列的矩形单元；微透镜阵列30的两个透镜阵列面31,32间是透光材质，能使光束L1,L0,L2直接通过；微透镜阵列30可由透明材质一体成型，生产更为方便；如图1和图2所示的微透镜阵列30实施例，当光源组10的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)单色光源11,12,13发出的光束L射向前方，经准直透镜20再射入微透镜阵列30的第一个透镜阵列面31紧密排列的透镜单元310后，能使光束L1,L0,L2各自聚光，并且投射到第二个透镜阵列面32上的相对透镜单元320上。

如图1和图2所示，一彩色滤光片40，设于微透镜阵列30出光侧的第二个透镜阵列面32外，彩色滤光片40上设有密集而规则的用于接收红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)光的色点41R,41G,41B(即图1的左方放大图)，此色点41R,41G,41B组成之像素41(即Pixel)分别对齐液晶显示器50各像素(Pixel)中代表红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)影像输出的三个液晶显示单元(图中未示)；其中，微透镜阵列30具有密集的透镜单元310,320数量与液晶显示器上的像素(Pixel)总数相同并且对齐，使得三种颜色光束L1,L0,L2能各自聚光并穿透彩色滤光片40上的红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的色点41R,41G,41B使得液晶显示器50的色彩饱合度较佳，而且色三角较大，方向性好，不需要扩散片，明显提高了照明系统的亮度。

本实施例中，光源组10前方设有的准直透镜20为单一大透镜，或由多个小准直透镜组成的透镜阵列，但本领域技术人员可以根据本发明做出改变，不再另以图示赘述。

本实施例中，如图2所示，微透镜阵列30前透镜阵列面31、后透镜阵列面2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彩色滤光片40上一列相对的像素41；在光源组10、准直透镜20、彩色滤光片40都不变下，微透镜阵列30可以变化成如图3所示的微透镜阵列30’，微透镜阵列30’前透镜阵列面31’、后透镜阵列面32’上的透镜单元310’，320’为一长形柱面透镜，且该柱面透镜之宽度涵盖彩色滤光片上一行R,G,B相对的像素，即相对于彩色滤光片40上每一个由红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)色点41R,41G,41B组成的像素41，也能达到预期的效果。

本实施例中，如图1和图4所示，本发明在实施时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20，可使色彩饱合度更佳，光线不被消耗过多的照明系统。

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 (7)

1.一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，包括：

至少一光源组，包括红、绿、蓝三个单色光源，且三个单色光源呈并排方式设置；光源组将光束射向前方；所述三个单色光源的前方设有准直透镜，以使光线能向前平行射出；

一组微透镜阵列，由透光材质构成块状结构体，且在相互平行的入光面和出光面上均设有位置相对的透镜阵列面；所述透镜阵列面均设有多个连续且紧密排列的透镜单元；当光源组的光线经准直透镜由入光侧射入微透镜阵列时，位于入光侧的第一个透镜阵列面上各紧密排列的透镜单元使入射光束分开为红、绿、蓝三个聚光光束，并投射至出光侧的第二个透镜阵列面对应位置的透镜单元上；所述第二个透镜阵列面对应位置的透镜单元改变各光束的方向，使各个红、绿、蓝聚光光束以垂直方向射出；

一彩色滤光片，配设于一液晶显示面板上，并设于微透镜阵列的出光侧；所述彩色滤光片上设有密集而规则的用于接收红色、绿色、蓝色光的色点，所述色点组成的像素分别对齐液晶显示器各像素中代表红色、绿色、蓝色影像输出的三个液晶显示单元；且所述微透镜阵列设有密集的透镜单元数量与液晶显示器上的像素总数相同并对齐；经微透镜阵列导向，三种颜色光束各自穿透彩色滤光片上的红、绿、蓝的色点而未被明显吸收，以使穿透率提升和色彩饱合度提高。

2.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述微透镜阵列为透明材质，且一体成型。

3.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述准直透镜为单一透镜。

4.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述准直透镜由复数个透镜构成。

5.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述光源组的单色光源为发光二极体或镭射二极体光源。

6.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述光源组为复数个，且每个光源组均由红、绿、蓝光源构成。

7.根据权利要求1所述的一种使用三原色光源的高效率抬头显示器照明系统，其特征在于，所述微透镜阵列的透镜阵列面上的透镜单元均为长柱形面透镜，且柱面透镜的宽度涵盖彩色滤光片上一行红、绿、蓝色点相对的像素。

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