CN112578593B - 照明设备、显示器以及照明方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及照明设备、显示器以及照明方法。该照明设备包括光束输出机构，所述光束输出机构输出发散光束；反射镜，所述反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，所述反射面上设置有第一微结构，所述第一微结构调整所述发散光束的发散方向；凸透镜，设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上并且对所反射出的光束进行会聚。

Description

照明设备、显示器以及照明方法
技术领域
本申请涉及机械工程、照明等技术领域，更具体地，涉及一种照明设备、显示器以及照明方法。
背景技术
随着安全驾驶技术的不断发展，使得车载HUD(Head up Display；抬头显示系统)得到了广泛的应用。HUD光学系统的目的是在道路前方数米观看距离中为驾驶员呈现虚拟显示，驾驶员总是能够在基本的视野中获得与驾驶相关的各种信息，而无需低头观察仪表，大大提升安全系数。
基于价格和体积优势，TFT-PGU(薄膜晶体管图像生成单元)在车载HUD中依然占据重要地位。由于TFT面板本身是不发光的，因此TFT面板所承载的图像需要借助背光照明来传达到人眼。
多种光源可以被选择作为TFT面板的背光照明光源。例如，可采用LED阵列作为背光照明光源。LED阵列是由LED点光源排列而成的阵列。然而，点光源具有明显的亮度中心。如果对点光源不加以处理，照射到TFT面板上的光斑会有显著的不均匀性。
发明内容
本申请一方面提供了一种照明设备，该照明设备包括：光束输出机构，所述光束输出机构输出发散光束；反射镜，所述反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，所述反射面上设置有第一微结构，所述第一微结构调整所述发散光束的发散方向；以及凸透镜，设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上并且对所反射出的光束进行会聚。
在一个实施方式中，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部。
在一个实施方式中，所述光束输出机构包括：光源模块，所述光源模块提供光；准直透镜，对入射的光进行准直并输出准直后的光；复眼透镜，对准直后的光进行发散以获得所述发散光束，所述发散光束的中部的能量密度大于所述发散光束的边缘部的能量密度。
在一个实施方式中，所述凸透镜的接收所述发散光束的第一表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应并对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述凸透镜的出射所述发散光束的第二表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应并对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述凸透镜的与所述第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，所述第三微结构的每个点与所述第二微结构的每个点一一对应并对来自所述第二微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述照明设备还包括匀光膜，所述匀光膜对所述凸透镜会聚后的光线进行散射。
在一个实施方式中，所述光源模块为LED光源。
在一个实施方式中，所述光源模块为光源阵列。
在一个实施方式中，所述准直透镜为全内反射透镜。
本申请另一方面提供了一种显示器，该显示器包括：上述实施方式提供的照明设备；以及显示面板，所述显示面板接收由所述照明设备提供的光以显示图像。
在一个实施方式中，所述显示面板是薄膜晶体管面板。
本申请又一方面提供了一种照明方法，该照明方法包括：通过光束输出机构输出发散光束；通过反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，同时通过设置在反射面上的第一微结构调整所述发散光束的发散方向；通过设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上的凸透镜对所反射出的光束进行会聚。
在一个实施方式中，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部。
在一个实施方式中，所述凸透镜的接收所述发散光束的第一表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第二微结构对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述凸透镜的出射所述发散光束的第二表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第二微结构对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述凸透镜的与所述第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，所述第三微结构的每个点与所述第二微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第三微结构对来自所述第二微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述照明方法还包括利用匀光膜对所述凸透镜会聚后的光线进行散射。
本申请提供的照明设备通过反射镜的反射面上设置的第一微结构，将光束输出机构输出的发散光束的中部的部分光束，调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部，再通过设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上的凸透镜，对所反射出的光束进行会聚，减小光束发散角，透过匀光膜后实现将光束输出机构输出的发散光束变成均匀光束，以对外输出提供照明，提高了背光照明的均匀性。该照明设备还具有以下优势中的至少一个。例如，对于不同尺寸的LCD屏幕，只需要对微结构面形进行设计，即可满足背光要求，其余的光学元器件不用重新设计，从而降低设计时间、制造成本。本申请可以通过增加LED光源及准直透镜(如TIR透镜)的数量来实现更高亮度的背光需求。本申请通过凸透镜上的第一微结构对反射来的光线进行一一对应的接收并折射，将发散角降低，有效保证了光效(亮度)。
附图说明
结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
图1为本申请示出的一种照明设备结构示意图；
图2为本申请示出的另一种照明设备结构示意图；
图3为本申请示出的又一种照明设备结构示意图；
图4为本申请示出的再一种照明设备结构示意图；
图5为本申请示出的照明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。
在说明书全文中，相同的标号指代相同的元件。如本文中使用的，用语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。
除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。
为对LCD屏幕提供均匀照明，本申请提供了一种照明设备，该照明设备包括光束输出机构、反射镜以及凸透镜。反射镜用于反射光束输出机构输出的发散光束。反射镜的反射面上设置有第一微结构。第一微结构调整所述发散光束的发散方向。本实施例中微结构可以是一种不均匀分布的微透镜阵列，通过优化表面微透镜的曲率控制出射光束的方向，进而整体上达到改变光束出射方向的目的。另外，微结构表面不同区域的密度、形状、尺寸的调整可实现对光线均匀度的控制。凸透镜设置在被反射镜反射出的光束传输方向上并且对所反射出的光束进行会聚。通过设置有第一微结构的反射镜对光束输出机构输出的发散光束进行反射后，光束输出机构输出的光束在到达凸透镜之前已被匀质化，但发散角度相对较大。通过凸透镜对反射镜反射出的光束进行会聚，可以将该发散光束进行汇聚，以对外输出、提供高亮度的照明。其中，凸透镜上的第一微结构对反射来的光线进行一一对应的接收并折射，降低发散光束的发散角，以保证光效。同时使得中心光束的能量达到设置于照明设备后端的匀光膜的边缘，最终实现完整像面的均匀分布。
根据本申请实施方式，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部，以使反射输出的光束均匀化。
根据本申请实施方式，照明设备还包括匀光膜，匀光膜对凸透镜会聚后的光线进行散射，从而进一步实现背光的均匀性。。
根据本申请实施方式，光束输出机构包括光源模块、准直透镜以及复眼透镜。光源模块提供光。准直透镜对入射的光进行准直并输出准直后的光。复眼透镜对准直后的光进行发散以获得发散光束。经过复眼透镜后的发散光束的能量呈高斯分布。发散光束中部的能量密度大于发散光束的边缘部的能量密度。本实施例中，由于LED光斑面积较小，通过复眼透镜对LED光斑进行整形，以扩大光斑面积。
根据本申请实施方式，凸透镜的接收发散光束的第一表面设置有第二微结构，第二微结构的每个点与第一微结构的每个点一一对应，并对来自第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。被第一微结构调整后的发散光束可被第二微结构接收并调整，以降低光束的发散角。
根据本申请实施方式，所述凸透镜的出射所述发散光束的第二表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应，利用所述第二微结构对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。入射至凸透镜中的光束在经过凸透镜折射输出时，第二微结构可对该光束进行调整，以降低光束的发散角。
根据本申请实施方式，凸透镜的与第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，第三微结构的每个点与第二微结构的每个点一一对应并对来自第二微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。被第二微结构调整后的发散光束可被第三微结构针对性地调整，从而进一步降低光束的发散角。
根据本申请实施方式，光源模块为LED光源。
根据本申请实施方式，光源模块为光源阵列。该光源阵列可根据需要具体设置。
根据本申请实施方式，准直透镜为全内反射透镜，以实现光束准直。
本申请另一方面提供了一种显示器，该显示器包括上述实施方式中的照明设备以及显示面板。显示面板接收由照明设备提供的光以显示图像。本申请提供的显示器可实现显示面板上全面、均匀亮度的图像显示。
根据本申请实施方式，显示面板是薄膜晶体管面板，以利于显示器小型化。
图1为本申请示出的一种照明设备结构示意图。如图1所示，该照明设备包括LED光源100、准直透镜101、复眼透镜102、匀光膜103以及显示面板104。LED光源100发出的光束经过准直透镜101变成准直光束。该准直光束经过复眼透镜102变成发散光束105。该发散光束105经过匀光膜103后照射在显示面板104上。在本实施例中，经过复眼透镜102后的光束具有一定的发散角度，使得发散光束105中的中部能量密度相对较大的部分光束可经过匀光膜103后，以均匀光束的形式照射在显示面板104上。其中匀光膜103可选择能够出射大角度发散光束105的匀光膜103。在本实施例中，还可以增加微结构，以进一步增加发散光束105的发散角度，实现光束的相对均匀。在本实施例中，由于只有发散光束105的中间部分的光束被人眼感知，而边缘光束未被人眼感知，从而造成感官上的最终显示亮度大幅度降低。为此，可通过增大照明设备的功率，提高显示面板104的显示亮度。同时随着功率增大，照明设备的散热更加困难，并且照明设备的体积也相应增加。
相对于上述实施例1示出的照明设备，本申请实施例2-4分别提供了另外几种照明设备。实施例2-4的照明设备能够在不降低显示面板亮度、不增大照明设备功率的条件下，实现对显示面板的均匀照射。
图2为本申请示出的另一种照明设备结构示意图。如图2所示，该照明设备包括光源模块200、准直透镜201、复眼透镜202、反射镜203、凸透镜205以及匀光膜206。在本实施例中，光源模块200中包含有2个LED光源。光源模块200发出的光束经过准直透镜201变成准直光束。该准直光束经过复眼透镜202变成发散光束210。该发散光束210的能量呈高斯分布，即光束的中部光束能量密度相对较大，光束的边缘部分能量密度相对较小。整束发散光束210到达反射镜203的反射面后，设置在反射面上的第一微结构204调整该发散光束210的反射角度，使得该发散光束210的中部的部分光束被调整出射至被反射镜203反射出的光束的边缘部。如此使得发散光束210在光传输方向的垂直截面上的能量分布变得相对均匀。
经过反射镜203反射后的发散光束210入射至设置在光束反射方向上的凸透镜205。发散光束210通过凸透镜205进行光束会聚，使得会聚后的光束经过匀光膜206后，以均匀光束的形式照射在接收照明设备输出光束的显示面板207上。在本实施例中，凸透镜205可会聚发散光束210中的边缘部分光束，使得尽可能全部光束照射在显示面板207上，从而在不增大照明设备功率的条件下，保证显示面板207的显示亮度。在本实施例中，照明设备与显示面板207相配合可形成均匀亮度显示的显示器。
图3为本申请示出的又一种照明设备结构示意图。如图3所示，该照明设备包括光源模块200、准直透镜201、复眼透镜202、反射镜203、凸透镜205以及匀光膜206。在本实施例中，光源模块200中包含有4个LED光源。光源模块200发出的光束经过准直透镜201变成准直光束。该准直光束经过复眼透镜202变成发散光束210。该发散光束210的能量呈高斯分布，即光束的中部光束能量密度相对较大，光束的边缘部分能量密度相对较小。整束发散光束210到达反射镜203的反射面后，设置在反射面上的第一微结构204调整该发散光束210的反射角度，使得该发散光束210的中部的部分光束被调整出射至被反射镜203反射出的光束的边缘部。如此使得发散光束210在光传输方向的垂直截面上的能量分布变得相对均匀。
经过反射镜203反射后的发散光束210入射至设置在光束反射方向上的凸透镜205。发散光束210通过凸透镜205进行光束会聚，使得会聚后的光束经过匀光膜206后，以均匀光束的形式照射在接收照明设备输出光束的显示面板207上。在本实施例中，凸透镜205的接收发散光束210的第一表面设置有第二微结构208。第二微结构208的每个点与第一微结构204的每个点一一对应，并对来自第一微结构204的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。第一微结构204与第二微结构208相互配合设置，被第一微结构204调整后的发散光束可被第二微结构208针对性地调整，从而进一步降低光束的发散角。会聚后的发散光束210通过匀光膜206进一步均匀化，以均匀光束的形式照射在显示面板207上，从而实现在不增大照明设备功率的条件下，保证显示面板207的显示亮度。在本实施例中，照明设备与显示面板207相配合可形成均匀亮度显示的显示器。
图4为本申请示出的再一种照明设备结构示意图。如图4所示，该照明设备包括光源模块200、准直透镜201、复眼透镜202、反射镜203、凸透镜205以及匀光膜206。在本实施例中，光源模块200中包含有2个LED光源。光源模块200发出的光束经过准直透镜201变成准直光束。该准直光束经过复眼透镜202变成发散光束210。该发散光束210的能量呈高斯分布，即光束的中部光束能量密度相对较大，光束的边缘部分能量密度相对较小。整束发散光束210到达反射镜203的反射面后，设置在反射面上的第一微结构204调整该发散光束210的反射角度，使得该发散光束210的中部的部分光束被调整出射至被反射镜203反射出的光束的边缘部。如此使得发散光束210在光传输方向的垂直截面上的能量分布变得相对均匀。
经过反射镜203反射后的发散光束210入射至设置在光束反射方向上的凸透镜205。在本实施例中，发散光束210通过凸透镜205进行光束会聚，使得会聚后的光束经过匀光膜206后，以均匀光束的形式照射在接收照明设备输出光束的显示面板207上。在本实施例中，凸透镜205的接收发散光束210的第一表面设置有第二微结构208。第二微结构208的每个点与第一微结构204的每个点一一对应，并对来自第一微结构204的对应的点处的光进行折射以降低其发散角第一微结构204与第二微结构208相互配合设置，被第一微结构204调整后的发散光束可被第二微结构208针对性地调整，从而进一步降低光束的发散角。
在本实施例中，凸透镜205的与第一表面相对的第二表面设置有第三微结构209，第三微结构209的每个点与第二微结构208的每个点一一对应并对来自第二微结构208的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。第二微结构208与第三微结构209相互配合设置，被第二微结构208调整后的发散光束可被第三微结构209针对性地调整，从而进一步降低光束的发散角。经凸透镜205折射后的发散光束210中边缘部分的光束经过匀光膜206后能够照射到显示面板207上，从而实现在不增大照明设备功率的条件下，保证显示面板207的显示亮度。在本实施例中，照明设备与显示面板207相配合形成均匀亮度显示的显示器。
在具体应用中，上述实施例中的光源模块可为LED光源。显示面板可为薄膜晶体管面板。准直透镜可为全内反射透镜。准直透镜与反射镜之间的相对位置、反射镜与凸透镜之间的相对位置以及凸透镜与显示面板之间的相对位置均可根据需要自由设定，并通过微结构调整发散光束，以使得经过均匀化的发散光束尽可能全部照射在显示面板上。例如，当显示面板尺寸固定不变时，放置位置的距离不同也会导致屏幕不能被均匀照亮，根据本申请的照明设备可通过微结构将光束的发散角度调小来适配距离较远的显示面板，也可通过将发散角度调大来适配距离较近的显示面板。同时对于不同尺寸的显示面板，只需要对微结构面形进行设计，即可满足背光要求。其余的光学元器件不用重新设计，从而降低设计时间以及制造成本。微结构设置在反射镜以及凸透镜的表面，可有效避免系统体积增大。
还需要说明的是，本申请提供的照明设备还可以通过增加准直透镜的数量，来实现更高亮度的背光需求。
本申请还提供了一种照明方法，其可利用上述照明设备来实现。图5为本申请提供的照明方法的流程示意图。如图5所示，该方法包括：
步骤10、通过光束输出机构输出发散光束；
步骤20、通过反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，同时通过设置在反射面上的第一微结构调整所述发散光束的发散方向；
步骤30、通过设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上的凸透镜对所反射出的光束进行会聚。
本实施例的照明方法可基于上述实施例提供的照明设备来实施。例如，照明设备可包括光束输出机构、反射镜以及凸透镜。反射镜的反射面上设置有第一微结构。该微结构可以是一种不均匀分布的微透镜阵列，通过优化表面微透镜的曲率控制出射光束的方向，进而整体上达到改变光束出射方向的目的。另外，微结构表面不同区域的密度、形状、尺寸的调整可实现对光线均匀度的控制。凸透镜设置在被反射镜反射出的光束传输方向上并且对所反射出的光束进行会聚。
通过设置有第一微结构的反射镜对光束输出机构输出的发散光束进行反射后，光束输出机构输出的发散光束经过第一微结构的调整而匀质化，但其发散角度相对较大。通过凸透镜对反射镜反射出的光束进行会聚，从而将光束输出机构输出的发散光束进行收敛，以对外输出、提供高亮度的照明。
在一个实施方式中，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部。
在一个实施方式中，所述凸透镜的接收所述发散光束的第一表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第二微结构对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述凸透镜的出射所述发散光束的第二表面设置有第二微结构，所述第二微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第二微结构对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。在一个实施方式中，所述凸透镜的与所述第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，所述第三微结构的每个点与所述第二微结构的每个点一一对应，所述方法包括：利用所述第三微结构对来自所述第二微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
在一个实施方式中，所述照明方法还包括利用匀光膜对所述凸透镜会聚后的光线进行散射。
以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种照明设备，其特征在于，包括：
光束输出机构，所述光束输出机构输出发散光束；
反射镜，所述反射镜为平面反射镜，所述反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，所述反射面上设置有第一微结构，其中，所述第一微结构包括不均匀分布的微透镜阵列，所述第一微结构包括的所述微透镜阵列调整所述发散光束的发散方向；以及
凸透镜，设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上并且对所反射出的光束进行会聚，其中，所述凸透镜的接收所述发散光束的第一表面设置有第二微结构，和/或所述凸透镜的与所述第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，所述第二微结构和/或所述第三微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应并对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
2.根据权利要求1所述的照明设备，其特征在于，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部。
3.根据权利要求1所述的照明设备，其特征在于，所述光束输出机构包括：
光源模块，所述光源模块提供光；
准直透镜，对入射的光进行准直并输出准直后的光；
复眼透镜，对准直后的光进行发散以获得所述发散光束，所述发散光束的中部的能量密度大于所述发散光束的边缘部的能量密度。
4.根据权利要求1所述的照明设备，其特征在于，所述照明设备还包括匀光膜，所述匀光膜对所述凸透镜会聚后的光线进行散射。
5.根据权利要求3所述的照明设备，其特征在于，所述光源模块为LED光源。
6.根据权利要求3所述的照明设备，其特征在于，所述光源模块为光源阵列。
7.根据权利要求3所述的照明设备，其特征在于，所述准直透镜为全内反射透镜。
8.一种显示器，其特征在于，所述显示器包括：
根据权利要求1-7中任一项所述的照明设备；以及
显示面板，所述显示面板接收由所述照明设备提供的光以显示图像。
9.根据权利要求8所述的显示器，其特征在于，所述显示面板是薄膜晶体管面板。
10.一种照明方法，其特征在于，所述照明方法包括：
通过光束输出机构输出发散光束；
通过反射镜的反射面对所述发散光束进行反射，同时通过设置在所述反射面上的第一微结构调整所述发散光束的发散方向，其中，所述反射镜为平面反射镜，所述第一微结构包括不均匀分布的微透镜阵列；以及
通过设置在被所述反射镜反射出的光束的方向上的凸透镜对所反射出的光束进行会聚，其中，所述凸透镜的接收所述发散光束的第一表面设置有第二微结构，和/或所述凸透镜的与所述第一表面相对的第二表面设置有第三微结构，所述第二微结构和/或所述第三微结构的每个点与所述第一微结构的每个点一一对应并对来自所述第一微结构的对应的点处的光进行折射以降低其发散角。
11.根据权利要求10所述的照明方法，其特征在于，所述第一微结构将所述发散光束的中部的部分光束调整出射至被所述反射镜反射出的光束的边缘部。
12.根据权利要求10所述的照明方法，其特征在于，所述照明方法还包括利用匀光膜对所述凸透镜会聚后的光线进行散射。
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