CN108732823B - 一种抬头显示装置的背光系统 - Google Patents

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Abstract

本发明系提供一种抬头显示装置的背光系统，包括依次设置的PCB板、集光部件和LCD板，PCB板的一侧设有n个光源；集光部件包括匀光透镜和n个集光透镜单元，匀光透镜的出光面设有微透镜阵列结构；集光透镜单元包括外透镜和内透镜，外透镜的外壁设有第一全反射面，外透镜入光面设有第一凹槽，内透镜设于第一凹槽中，内透镜的外壁设有第二全反射面，内透镜入光面设有第二凹槽，第二凹槽的底部设有中心折射面，光源位于第一凹槽的中心处。本发明光收集能力强，能够有效提高能量的利用率，匀光效果好，能够有效确保显示亮度和色度分布均匀，在确保集光效果的同时能够有效降低集光透镜单元的厚度，占用空间小。

Description

一种抬头显示装置的背光系统
技术领域
本发明涉及背光系统，具体公开了一种抬头显示装置的背光系统。
背景技术
抬头显示装置又称平视显示器(HUD)，是运用于航空器上的飞行辅助仪器，平视是指飞行员不需要低头就能够看到他需要的重要资讯。抬头显示装置最早出现在军用飞机上，用于降低飞行员低头查看仪表的频率，避免注意力中断以及丧失对状态意识的掌控，现代的汽车也逐步开始安装抬头显示装置。
抬头显示装置需要在光线充足的白天能够正常使用，则其最大的图像亮度需要达到15000尼特，甚至更高。液晶显示屏(LCD)是抬头显示装置常见的图像显示发生单元，但液晶显示屏本身不发光，需要背光源模组提供背光照明，由于液晶显示屏5％左右的透过率比较低，同时考虑到前档玻璃的反射及其他的能量损耗，一般的背光模组需要设置亮度在几十万尼特以上。
高亮度的背光模组应用于车载抬头显示装置时，需要同时降低占用空间和能耗，现有技术中，车载抬头显示装置通常包括光源、凸透镜阵列和液晶显示器，通过凸透镜阵列将光源发出的光线汇聚到液晶显示器上，但使用凸透镜阵列会导致大角度的光能量无法被直接准直，将会形成逃逸的杂散光，能量利用率低，且凸透镜阵列在汇聚光源光束时会出现光学成像效果，从而导致亮度分布不均匀，甚至会由于光源表面的颜色差异而出现色度分布不均匀，凸透镜的厚度大，并且凸透镜与光源需要有一定的间距，光源需要设置在焦点处，导致抬头显示装置占用空间大，且混光效果差，最终导致显示效果不佳；现有技术中，部分车载抬头显示装置包括光源、设置有全反射面的碗状聚光部件和液晶显示屏，通过全反射的方式汇聚光线，这种结构的光学利用率高，但聚光部件体积大，且混光需要较大的距离，抬头显示装置的占用空间大，一旦缩小混光距离则会降低混光效果，从而降低显示效果。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种抬头显示装置的背光系统，光收集能力强，匀光效果好，且整体结构轻薄，占用空间小。
为解决现有技术问题，本发明公开一种抬头显示装置的背光系统，包括依次设置的PCB板、集光部件和LCD板，PCB板靠近集光部件的一侧设有n个呈阵列排布的光源，n为大于1的整数；
集光部件包括匀光透镜和n个呈阵列排布的集光透镜单元，匀光透镜的出光面设有微透镜阵列结构，集光透镜单元位于靠近匀光透镜的入光面一侧；
集光透镜单元包括呈碗状的外透镜和呈碗状的内透镜，外透镜的厚度和半径分别为D和R，内透镜的厚度和半径分别为d和r，D>d，R>r，外透镜远离轴心的外壁设有第一全反射面，外透镜入光面中心处设有向匀光透镜凹陷的第一凹槽，内透镜设于第一凹槽中，内透镜远离轴心的外壁设有第二全反射面，内透镜入光面中心处设有向匀光透镜凹陷的第二凹槽，第二凹槽的底部设有中心折射面，光源位于第一凹槽的中心处。
进一步的，微透镜阵列结构为凹透镜的复眼透镜阵列。
进一步的，微透镜阵列结构中单个凹透镜单元的曲率半径为0.5～15mm。
进一步的，微透镜阵列结构中相邻两个凹透镜单元的间距为1～5mm。
进一步的，第一全反射面和第二全反射面均为碎面结构或光滑连续面结构。
进一步的，第一全反射面和第二全反射面的平均倾角均为30～60度。
进一步的，集光透镜单元还包括呈碗状的中部透镜，中部透镜设于外透镜和内透镜之间，中部透镜设于第一凹槽内，中部透镜远离轴心的外壁设有第三全反射面，中部透镜入光面中心处设有向匀光透镜凹陷的第三凹槽，内透镜设于第三凹槽内。
进一步的，中部透镜设有k个，k为大于1的整数，中部透镜的厚度和半径分别为Pk和Qk，D>Pk>d，R>Qk>r，以Pk和Qk从外向内递减套设各个中部透镜，内透镜设于拥有Pkmin和Qkmin的中部透镜的第三凹槽中，拥有Pkmax和Qkmax的中部透镜设于第一凹槽中。
进一步的，LCD板和集光部件之间还设有光学膜片。
本发明的有益效果为：本发明公开一种抬头显示装置的背光系统，设置包裹式全反射结构，光收集能力强，能够有效提高能量的利用率，使用成本低，设置微透镜阵列结构，匀光效果好，能够有效确保显示亮度和色度分布均匀，此外，集光透镜单元呈多层梯度设置，集光透镜单元分化为多个齿面的类菲涅尔透镜结构，能够有效利用集光透镜单元的内部空间进行混光，混光距离更短，在确保集光效果的同时能够有效降低集光透镜单元的厚度，背光系统的整体结构轻薄，占用空间小；车载抬头显示装置的显示画面一般为100mm*60mm，背光系统最终收集到较小角度的光束照射到液晶显示屏上，缩小背光系统的光束角能够最大化利用光源发出的光线，从而提高背光源的零度视角亮度，从而提高液晶显示屏的亮度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明一实施例的结构示意图。
图3为本发明中集光部件的立体结构示意图。
图4为本发明中集光部件另一视角的立体结构示意图。
附图标记为：PCB板10、光源11、集光部件20、匀光透镜21、微透镜阵列结构211、集光透镜单元22、外透镜23、第一全反射面231、第一凹槽232、内透镜24、第二全反射面241、第二凹槽242、中心折射面243、中部透镜25、第三全反射面251、第三凹槽252、LCD板30、光学膜片40。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参考图1至图4。
本发明公开一种抬头显示装置的背光系统，如图1所示，包括依次设置的PCB板10、集光部件20和LCD板30，集光部件20为一体化注塑成型的光学部件，PCB板10靠近集光部件20的一侧设有n个呈阵列排布的光源11，优选地，光源11为LED芯片，n为大于1的整数；
如图3、4所示，集光部件20包括一体成型的匀光透镜21和n个呈阵列排布的集光透镜单元22，匀光透镜21的出光面设有微透镜阵列结构211，集光透镜单元22位于靠近匀光透镜21的入光面一侧，集光透镜单元22为类似菲涅尔透镜的结构，能够有效降低集光部件20整体的厚度，从而降低背光系统整体的厚度和重量；
集光透镜单元22包括呈碗状的外透镜23和呈碗状的内透镜24，外透镜23的厚度和半径分别为D和R，内透镜24的厚度和半径分别为d和r，D>d，R>r，外透镜23的大半径出光面与靠近匀光透镜21设置，外透镜23远离轴心的外壁设有第一全反射面231，外透镜23的小半径入光面中心处设有向匀光透镜21凹陷的第一凹槽232，内透镜24设于第一凹槽232中，内透镜24的大半径出光面靠近第一凹槽232的底部设置，内透镜24远离轴心的外壁设有第二全反射面241，内透镜24的小半径入光面中心处设有向匀光透镜21凹陷的第二凹槽242，第二凹槽242的底部设有中心折射面243，中心折射面243向远离匀光透镜21的一侧凸出，具有汇聚光线的作用，各个光源11分别位于各个第一凹槽232的中心处，光源11的发光面正对中心折射面243，即集光透镜单元22呈梯度向中心凹陷，多层梯度设置的菲涅尔化全反射结构，能够使集光透镜单元22更加轻薄，混光距离更短。
本发明的工作过程为：光源11发出的光线分别进入内透镜24和外透镜23，进入外透镜23的光线通过第一全反射面231实现反射收集，进入内透镜24的光线分别通过中心折射面243折射和第二全反射面241反射收集；集光透镜单元22收集的光线通过其出射面进入匀光透镜21，匀光透镜21的微透镜阵列结构211能够有效对光线进行混光处理，促使光线在较小距离内实现混光，从而形成亮度和色度均匀的光束照射到LCD板30即液晶显示屏上。
本发明设置包裹式全反射结构，光收集能力强，能够有效提高能量的利用率，使用成本低，设置微透镜阵列结构211，匀光效果好，能够有效确保显示亮度和色度分布均匀，此外，集光透镜单元22呈多层梯度设置，集光透镜单元22分化为多个齿面的类菲涅尔透镜结构，能够有效利用集光透镜单元22的内部空间进行混光，混光距离更短，在确保集光效果的同时能够有效降低集光透镜单元22的厚度，背光系统的整体结构轻薄，占用空间小；车载抬头显示装置的显示画面一般为100mm*60mm，背光系统最终收集到较小角度的光束照射到液晶显示屏上，缩小背光系统的光束角能够最大化利用光源发出的光线，从而提高背光源的零度视角亮度，从而提高液晶显示屏的亮度。
在本实施例中，微透镜阵列结构211为凹透镜的复眼透镜阵列，凹透镜在匀光透镜21的出光面向集光透镜单元22凹陷，具有发散光线的能力，可使光束角变大，促使光线与邻近光线的混光效果增加，即使在较小的混光距离，同样能够达到较好的混光效果，最后使系统体积可以做得更小。减重、减体积的效果能够有效适用于汽车产品，微透镜阵列结构211还可以是雾化面结构或磨砂面结构。
在本实施例中，微透镜阵列结构211中单个凹透镜单元的曲率半径为0.5～15mm，微透镜阵列结构211中相邻两个凹透镜单元的间距为1～5mm，能够有效缩短光线的混光距离，提高亮度及色度的匀光效果。
在本实施例中，第一全反射面231和第二全反射面241均为相连的碎面结构或光滑连续面结构，第一全反射面231和第二全反射面241的平均倾角均为30～60度，能够有效确保全反射面结构的集光效果。
在本实施例中，如图2所示，集光透镜单元22还包括呈碗状的中部透镜25，中部透镜25设于外透镜23和内透镜24之间，中部透镜25设于第一凹槽232内，中部透镜25的大半径出光面靠近第一凹槽232的底部设置，中部透镜25远离轴心的外壁设有第三全反射面251，中部透镜25的小半径入光面中心处设有向匀光透镜21凹陷的第三凹槽252，内透镜24设于第三凹槽252内，内透镜24的大半径出光面靠近第三凹槽252的底部设置。设置集光透镜单元22为具有三层梯度的菲涅尔透镜结构，能够有效缩小集光透镜单元22的厚度，从而能够有效缩小抬头显示装置背光系统的整体的体积和重量，符合当下市场对轻薄型产品的需求。
基于上述实施例，中部透镜25设有k个，k为大于1的整数，中部透镜25的厚度和半径分别为Pk和Qk，D>Pk>d，R>Qk>r，以Pk和Qk从外向内递减的顺序依次套设各个中部透镜25，即小Pk和Qk中部透镜25设置于大Pk和Qk中部透镜25的第三凹槽252中，内透镜24设于拥有Pkmin和Qkmin的中部透镜25的第三凹槽252中，拥有Pkmax和Qkmax的中部透镜25设于第一凹槽231中。设置集光透镜单元22为多层梯度的菲涅尔透镜结构，能够根据应用场合的需求经一部降低集光透镜单元22的厚度。
在本实施例中，LCD板30和集光部件20之间还设有光学膜片40，光学膜片40可以是增亮膜，能够有效提高显示亮度，光学膜片40还可以是扩散膜，能够有效提高光束的均匀效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种抬头显示装置的背光系统，包括依次设置的PCB板（10）、集光部件（20）和LCD板（30），其特征在于，所述PCB板（10）靠近所述集光部件（20）的一侧设有n个呈阵列排布的光源（11），n为大于1的整数；
所述集光部件（20）包括匀光透镜（21）和n个呈阵列排布的集光透镜单元（22），所述匀光透镜（21）的出光面设有微透镜阵列结构（211），所述集光透镜单元（22）位于靠近所述匀光透镜（21）的入光面一侧；
所述集光透镜单元（22）包括呈碗状的外透镜（23）和呈碗状的内透镜（24），所述外透镜（23）的厚度和半径分别为D和R，所述内透镜（24）的厚度和半径分别为d和r，D>d，R>r，所述外透镜（23）远离轴心的外壁设有第一全反射面（231），所述外透镜（23）入光面中心处设有向所述匀光透镜（21）凹陷的第一凹槽（232），所述内透镜（24）设于所述第一凹槽（232）中，所述内透镜（24）远离轴心的外壁设有第二全反射面（241），所述内透镜（24）入光面中心处设有向所述匀光透镜（21）凹陷的第二凹槽（242），所述第二凹槽（242）的底部设有中心折射面（243），所述光源（11）位于所述第一凹槽（232）的中心处；
所述微透镜阵列结构（211）为凹透镜的复眼透镜阵列；
所述第一全反射面（231）和所述第二全反射面（241）均为碎面结构或光滑连续面结构；
所述集光透镜单元（22）还包括呈碗状的中部透镜（25），所述中部透镜（25）设于所述外透镜（23）和所述内透镜（24）之间，所述中部透镜（25）设于所述第一凹槽（232）内，所述中部透镜（25）远离轴心的外壁设有第三全反射面（251），所述中部透镜（25）入光面中心处设有向所述匀光透镜（21）凹陷的第三凹槽（252），所述内透镜（24）设于所述第三凹槽（252）内。
2.根据权利要求1所述的一种抬头显示装置的背光系统，其特征在于，所述微透镜阵列结构（211）中单个凹透镜单元的曲率半径为0.5~15mm。
3.根据权利要求1所述的一种抬头显示装置的背光系统，其特征在于，所述微透镜阵列结构（211）中相邻两个凹透镜单元的间距为1~5mm。
4.根据权利要求1所述的一种抬头显示装置的背光系统，其特征在于，所述第一全反射面（231）和所述第二全反射面（241）的平均倾角均为30~60度。
5.根据权利要求1所述的一种抬头显示装置的背光系统，其特征在于，所述中部透镜（25）设有k个，k为大于1的整数，所述中部透镜（25）的厚度和半径分别为Pk和Qk，D>Pk>d，R>Qk>r，以Pk和Qk从外向内递减套设各个所述中部透镜（25），所述内透镜（24）设于拥有Pkmin和Qkmin的所述中部透镜（25）的所述第三凹槽（252）中，拥有Pkmax和Qkmax的所述中部透镜（25）设于所述第一凹槽（232）中。
6.根据权利要求1所述的一种抬头显示装置的背光系统，其特征在于，所述LCD板（30）和所述集光部件（20）之间还设有光学膜片（40）。
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