CN205982817U - 一种图像显示设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种图像显示设备，所述图像显示设备为抬头显示器的图像源，包括由内到外依次排列组合的：光源阵列、聚光元件阵列、增亮扩散组件和光阀组件，所述增亮扩散组件为偏振光学元件，其雾度小于等于60％，所述增亮扩散组件与所述聚光元件阵列的间距为30mm‑60mm，所述聚光元件阵列为凸透镜阵列、菲涅尔镜阵列或带聚焦功能的折反射镜阵列中的一种，所述光源阵列为LED阵列或激光光源阵列，增亮扩散组件和光阀组件之间分离和/或粘合，光阀组件为液晶光阀元件。本实用新型具有部件尺寸轻小、结构紧凑、占用空间小且成像亮度高、均匀性好、偏振度高的特点。

Description

一种图像显示设备

技术领域

本实用新型涉及抬头显示器领域，特别是涉及应用于抬头显示器的一种图像显示设备。

背景技术

机动车辆的投影显示设备又称抬头显示器(HUD)。它是第二次世界大战时为解决战斗机飞行员交替观察驾驶舱内仪表和跟踪目标引起的内外视觉矛盾而开始研发的。同许多战争发展出来的技术一样，抬头显示器最初的应用就是在战斗机上。这种由电子组件、显示组件、控制器以及高压电源等组成的综合光电显示设备，能将飞行参数、瞄准攻击、自检测等信息，以图像、字符的形式，通过光学部件投射到座舱正前方半透半反组合玻璃上。

车辆在高速行驶时，特别是夜间高速行车时，驾驶员可能会低头观看仪表或中控台的GPS等显示，此时如果前方遇有紧急情况就有可能因来不及及时采取有效措施而造成事故。80年代末，抬头显示器的特性被当时日渐重视安全性的汽车制造商看中，1988年，前挡玻璃型抬头显示器作为一项安全特性设备出现在通用旗下的奥兹莫比(CutlassSupreme)车型的选配清单上。由此开启了车载抬头显示器的开端。在车辆上装配智能车载抬头显示系统，可以将时速、转速等相关信息显示在驾驶员前方平视范围内的半透半反组合玻璃或者风挡玻璃上面，有效避免了驾驶员因切换视线而造成交通事故发生。

机动车辆抬头显示器的图像源多采用光源阵列，如LED，OLED，激光光源等。这些光源发出的光汇聚后，照射到液晶光阀上，液晶光阀LCD上产生出需要图像，被光源发出的光束照明后实现高亮图像显示。这个高亮的图像在半透半反组合玻璃或者风挡玻璃上实现部分反射。这部分反射后的光线进入驾驶员的眼睛，这就是驾驶员从抬头显示器中看到的高亮图形符号等图像信息。为了保证司机驾驶安全，抬头显示器所使用的半透半反组合玻璃或者风挡玻璃通常有较高的透过率(>70％)，也就是反射率非常低(<30％)。为了使反射的图像能够很好地显示出来，这就要求抬头显示器的图像源具有很高的亮度。可是，由于采用光源阵列进行照明，因此被照明的图像上经常会出现亮斑，也就是亮度不均匀的情况，这对驾驶员观察图像非常不利。为了增加图像显示器的均匀性，传统高亮显示器的结构方式为从光源阵列发出的光被一个阵列反射镜或者阵列菲涅尔镜聚光后，入射到扩散片。其中，扩散片雾度大于90％，具有非常高的扩散效果，使得图像中出现的亮斑被尽量地扩散均匀。

此外，美国专利20120243104中描述了一种应用于抬头显示器HUD的高亮显示器，使用优化后的自由曲面透镜进行聚光和现实，用以改善阵列光源照明光束的均匀性，整个结构简单紧凑。

传统高亮显示器存在一个非常不利的影响。由于扩散片扩散的程度过大，直接导致图像 的亮度急剧下降。如果简单通过增加灯珠功率的方法来提高亮度，又带来散热和系统体积增加的问题。美国专利20120243104中描述方案，仍无法完全消除阵列光源产生的不均匀亮斑。这是由于阵列光源通常采用可以看做朗伯辐射源，仅通过光学元件的折射无法达到非常满意的效果。此外，自由曲面加工成本高，面型精度也难以保证。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种图像显示设备，通过带有偏振功能的增亮扩散组件与偏振方向相同的光阀组件搭配，可以有效地提高光学利用率，达到增加成像亮度的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种图像显示设备，所述图像显示设备为抬头显示器的图像源，所述抬头显示器还设置有与所述图像显示设备相对应的反射装置，所述图像显示设备其特征在于，包括由内到外依次排列组合的：光源阵列、聚光元件阵列，增亮扩散组件和光阀组件四部分。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述增亮扩散组件为偏振光学元件，所述增亮扩散组件的雾度小于等于60％。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述增亮扩散组件与所述聚光元件阵列的间距范围是30mm～60mm。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述聚光元件阵列为凸透镜阵列、菲涅尔镜阵列或带聚焦功能的折反射镜阵列中的一种。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述反射装置为反射镜、风挡玻璃或半透半反组合玻璃中的一种或者多种。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述反射镜包括镜面反射元件和光学组件。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述光源阵列为发光二极管LED阵列或激光光源阵列中的一种。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述增亮扩散组件和所述光阀组件的组合模式包括分离间隔模式和粘结组合模式两种。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述光阀组件为液晶光阀元件。

本实用新型的有益效果是：本实用新型一种图像显示设备通过偏振增亮扩散组件将无法透过液晶光阀的偏振光束反射回之前的光路，经过散射、反射等转化后，重新变成可利用的照明光束，入射到偏振增亮扩散组件上，从而提高光学利用率，达到增加亮度的目的。液晶光阀LCD上产生出所需要显示的图像，被经过匀光增亮后的光束照明，实现高亮度、高均匀性、高偏振的的图像显示。显示器显示的图像被位于仪表盘上方的反射装置进行二次反射， 然后进入驾驶员的眼睛。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图，其中：

图1是本实用新型一种图像显示设备的一较佳实施例的截面结构示意图；

图2是根据图1原理组装的应用于抬头显示器的图像显示设备显示图像的一较佳实施例的示意图；

图3是将增亮扩散组件与光阀组件贴合到一起的一较佳实施例的截面光路示意图；

图4是由菲涅尔镜阵列组成聚光元件阵列的一较佳实施例的截面光路示意图；

图5是由折反射镜阵列组成聚光元件阵列的一较佳实施例的截面光路示意图；

图6是传统图像源显示的截面光路图。

附图中各部件的标记如下：1、光源阵列，2、聚光元件阵列，3、增亮扩散组件，4、光阀组件，5、应用于抬头显示器的图像显示设备，6、菲涅尔镜阵列，7、折反射镜阵列，8、增亮扩散组件与光阀组件的组合件，9、光阀组件显示的图像，10、常用雾度大于等于90％的扩散元件。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图6，本实用新型实施例包括：

提供一种图像显示设备，所述图像显示设备为抬头显示器的图像源，所述抬头显示器还设置有与所述图像显示设备相对应的反射装置，所述图像显示设备其特征在于，包括由内到外依次排列组合的：光源阵列、聚光元件阵列，增亮扩散组件和光阀组件四部分。

所述增亮扩散组件为偏振光学元件，所述增亮扩散组件的雾度小于等于60％。

所述增亮扩散组件与所述聚光元件阵列的间距范围是30mm～60mm。

所述聚光元件阵列为凸透镜阵列、菲涅尔镜阵列或带聚焦功能的折反射镜阵列中的一种。

所述反射装置为反射镜、风挡玻璃或半透半反组合玻璃中的一种或者多种的组合。

所述反射镜包括镜面反射元件和光学组件。

所述光源阵列为发光二极管LED阵列或激光光源阵列中的一种。

所述增亮扩散组件和所述光阀组件的组合模式包括分离间隔模式和粘结组合模式两种。

所述光阀组件为液晶光阀元件。

本实用新型中：

图6为传统高亮图像显示设备的截面图。多个光源等距排列成阵列，从光源阵列发出的光被一个聚光元件阵列聚光后，入射到紧贴聚光元件阵列的常用扩散元件进行扩散，光束扩散后实现了均匀亮度分布的光束入射到光阀组件上，光阀组件对光束进行图像调制，从而显示高亮图像。聚光元件阵列的使用中，典型的是菲涅尔透镜阵列或者凸透镜阵列，也可以是反射镜阵列。由于光源阵列的空间亮度分布不均匀，因此图6选择的常用扩散元件的雾度大于等于90％，具有非常高的扩散效果，使得图像中出现的不均匀亮斑被尽量地扩散，同时增大可观察的视场角。但是，这样存在一个非常不利的影响。由于常用扩散元件扩散的程度过大，直接导致图像的亮度急剧下降。如果简单通过增加灯珠功率的方法来提高亮度，又带来散热和系统体积增加的问题。

为了改善照明均匀性、光效率和偏振特性，本发明的装置和方法进一步优化照明光束，在照明光束入射到光阀组件之前进行光束扩展和偏振增亮。图1表示的本发明的图像显示设备的优选实施例的原理图。从图1中可以看出，本发明的装置包括光源阵列、聚光元件阵列、增亮扩散组件和光阀组件四个部分。从光源阵列发出的光首先被一个聚光元件阵列进行聚光。聚光元件阵列由前后表面均为凸面的折射透镜组成，聚焦后的照明光束经过一段距离的传播后,入射到增亮扩散组件，增亮扩散组件的雾度小于60％，且距离聚光元件阵列的距离约30mm～60mm。

增亮扩散组件透过与液晶光阀偏振方向相同的光束，同时反射与液晶光阀偏振方向垂直的光束，扩散增亮后，实现了均匀亮度分布的照明光束入射到液晶光阀上，液晶光阀对光束进行图像调制，从而显示高亮图像。

图3是是将增亮扩散膜与液晶光阀贴合到一起的一种实施例。通过粘胶贴合的工艺，将增亮扩散膜与液晶光阀制作为一个整体，将进一步减小显示器的结构和体积。这样，光源阵列、和液晶光阀之间仅需安放一个聚光元件阵列进行照明光束的聚焦、扩展和混合。

其中，图1中所示的聚光元件阵列由前后表面为凸面的折射透镜阵列组成，在在另一个实施例中如图4所示，聚光元件阵列可以是菲涅尔镜阵列，菲涅尔镜的一面为平面，另一个面为由多个环带组成的带有一定正光焦度的微结构。

在图5中，聚光元件阵列可以带聚焦功能的折反射镜阵列，反射可以是镜面反射也可以是利用带有一定折射率的介质如PMMA，PC等实现全反射。

本实用新型一种图像显示设备的有益效果是：

一、通过在照明光束入射到液晶光阀之前进行光束扩展和偏振增亮，很好地平衡了亮度、均匀性、散热、体积的问题。图像显示器的图像亮度高、均匀性好、高偏振，同时所有部件尺寸轻小，结构紧凑，安装于车内，占用空间小；

二、通过透镜阵列、菲涅尔镜阵列和折反射镜阵列的不同组合方式，形成不同的聚光光学组件，可以根据需要灵活运用，提高适用范围；

三、通过光学偏振的增亮扩散组件，透过与液晶光阀偏振方向相同的光束，反射与液晶光阀偏振方向垂直的光束。因此光学偏振的增亮扩散组件将无法透过液晶光阀的偏振光束反射回之前的光路，经过散射、反射等转化后，重新变成可利用的照明光束，入射到光学偏振的增亮扩散组件上，从而提高光学利用率，达到增加亮度的目的。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种图像显示设备，所述图像显示设备为抬头显示器的图像源，所述抬头显示器还设置有与所述图像显示设备相对应的反射装置，所述图像显示设备特征在于，包括由内到外依次排列组合的：光源阵列、聚光元件阵列，增亮扩散组件和光阀组件四部分。

2.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述增亮扩散组件为偏振光学元件，所述增亮扩散组件的雾度小于等于60％。

3.根据权利要求1或2所述的图像显示设备，其特征在于，所述增亮扩散组件与所述聚光元件阵列的间距范围是30mm～60mm。

4.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述聚光元件阵列为凸透镜阵列、菲涅尔镜阵列或带聚焦功能的折反射镜阵列中的一种。

5.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述反射装置为反射镜、风挡玻璃或半透半反组合玻璃中的一种或者多种。

6.根据权利要求5所述的图像显示设备，其特征在于，所述反射镜包括镜面反射元件和光学组件。

7.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述光源阵列为发光二极管LED阵列或激光光源阵列中的一种。

8.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述增亮扩散组件和所述光阀组件的组合模式包括分离间隔模式和粘结组合模式两种。

9.根据权利要求1所述的图像显示设备，其特征在于，所述光阀组件为液晶光阀元件。