使用光源陣列照明的高亮度、高均勻性圖像顯示設備的製作方法
2023-10-19 15:33:42
本實用新型涉及圖像顯示裝置技術領域，具體涉及使用光源陣列照明的高亮度、高均勻性圖像顯示設備。
背景技術：
機動車輛的投影顯示設備又稱抬頭顯示器（HUD）。它是第二次世界大戰時為解決戰鬥機飛行員交替觀察駕駛艙內儀表和跟蹤目標引起的內外視覺矛盾而開始研發的。同許多戰爭發展出來的技術一樣，抬頭顯示器最初的應用就是在戰鬥機上。這種由電子組件、顯示組件、控制器以及高壓電源等組成的綜合光電顯示設備，能將飛行參數、瞄準攻擊、自檢測等信息，以圖像、字符的形式，通過光學部件投射到座艙正前方組合玻璃上。
車輛在高速行駛時，特別是夜間高速行車時，駕駛員可能會低頭觀看儀表或中控臺的GPS等顯示，此時如果前方遇有緊急情況就有可能因來不及及時採取有效措施而造成事故。80年代末，抬頭顯示器的特性被當時日漸重視安全性的汽車製造商看中，1988年，前擋玻璃型抬頭顯示器作為一項安全特性出現在通用旗下的奧茲莫比（Cutlass Supreme）車型的選配清單上。由此開啟了車載抬頭顯示器的開端。在車輛上裝配智能車載抬頭顯示系統，可以將時速、轉速等相關信息顯示在駕駛員前方平視範圍內的組合玻璃或者風擋玻璃上面，有效避免了駕駛員因切換視線而造成交通事故發生。
抬頭顯示器的圖像源多採用光源陣列，如LED，OLED，雷射光源等。這些光源發出的光匯聚後，照射到液晶光閥上，液晶光閥LCD上產生出需要圖像，被光源發出的光束照明後實現高亮圖像顯示。這個高亮的圖像在組合玻璃或者風擋玻璃上實現部分反射。這部分反射後的光線進入駕駛員的眼睛，這就是駕駛員從抬頭顯示器中看到的高亮圖形符號等圖像信息。為了保證司機駕駛安全，抬頭顯示器所使用的組合玻璃或者風擋玻璃通常有較高的透過率(>70%)，也就是反射率非常低（<30%）。為了使反射的圖像能夠很好地顯示出來，這就要求抬頭顯示器的圖像源具有很高的亮度。可是，由於採用光源陣列進行照明，因此被照明的圖像上經常會出現亮斑，也就是亮度不均勻的情況，這對駕駛員觀察圖像非常不利。美國專利20120243104中描述了一種應用於抬頭顯示器HUD的高亮顯示器，使用優化後的自由曲面透鏡進行聚光和現實，用以改善陣列光源照明光束的均勻性，整個結構簡單緊湊。傳統高亮顯示器存在一個非常不利的影響。由於擴散片擴散的程度過大，直接導致圖像的亮度極具下降。如果簡單通過增加燈珠功率的方法來提高亮度，又帶來散熱和系統體積增加的問題。美國專利20120243104中描述方案，仍無法完全消除陣列光源產生的不均勻亮斑。這是由於陣列光源通常採用可以看做朗伯輻射源，僅通過光學元件的折射無法達到非常滿意的效果。此外，自由曲面加工成本高，面型精度也難以保證。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於針對現有技術的缺陷和不足，提供一種結構簡單，設計合理、使用方便的使用光源陣列照明的高亮度、高均勻性圖像顯示設備，在照明光束入射到液晶光閥之前進行光束擴展和偏振增亮，很好地平衡了亮度、均勻性、散熱、體積的問題。圖像顯示器的圖像亮度高、均勻性好，同時所有部件尺寸輕小，結構緊湊，安裝於車內，佔用空間小。
為實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是：它包含裝置外殼、光源陣列、陣列聚光光學元件、液晶光閥；所述的光源陣列、陣列聚光光學元件和液晶光閥從右至左依次設置，它還包含偏振增亮擴散元件；所述的偏振增亮擴散元件設置在液晶光閥與陣列聚光光學元件之間。
所述的偏振增亮擴散元件與陣列聚光光學元件之間的距離為D，且D的範圍為30-60mm。
所述的偏振增亮擴散元件與液晶光閥貼合設置。
所述的陣列聚光光學元件可以為折射透鏡組成，也可以為涅菲爾鏡陣列，還可以為折反射鏡陣列。
所述的光源陣列為發光二極體LED陣列，也可以為雷射光源陣列。
所述的偏振增亮擴散元件的霧度小於60%。
所述的陣列聚光光學元件通過將聚焦照明光束進行分割、混合、擴展，使聚焦照明光束在一個較小的角度內進行擴展，從而使得照明光束經過擴展後照度分布更加均勻。
本實用新型的工作原理：整個圖像顯示裝置的照明光由光源陣列發出，發出的光線被陣列聚光光學元件聚焦，聚焦後的光線經過一段距離的傳播後，入射到偏振增亮擴散元件上，偏振增亮擴散元,的霧度小於60%，且距離陣列聚光光學元件約30mm~60mm，在這段傳播距離過程中，各單獨聚光光學元件聚焦的光線會混合到一起，進行第一次的光束均勻擴展，偏振增亮擴散元件的功能是作為一個二次照明均勻器，在一個較小的角度內對聚焦照明光束進行均勻擴展；同時，偏振增亮擴散元件透過與液晶光閥偏振方向相同的光束，反射與液晶光閥偏振方向垂直的光束，因此偏振增亮擴散元件將無法透過液晶光閥的偏振光束反射回之前的光路，經過散射、反射等轉化後，重新變成可利用的照明光束，入射到偏振增亮擴散元件上，從而提高光學利用率，達到增加亮度的目的，液晶光閥上產生出所需要顯示的圖像，被經過勻光增亮後的光束照明，實現高亮度、高均勻性的圖像顯示，顯示器顯示的圖像被位於儀錶盤上方的反射鏡裝置和汽車風擋玻璃進行二次反射，然後進入駕駛員的眼睛。
採用上述結構後，本實用新型有益效果為：本實用新型所述的使用光源陣列照明的高亮度、高均勻性圖像顯示設備，在照明光束入射到液晶光閥之前進行光束擴展和偏振增亮，很好地平衡了亮度、均勻性、散熱、體積的問題。圖像顯示器的圖像亮度高、均勻性好，同時所有部件尺寸輕小，結構緊湊，安裝於車內，佔用空間小，本實用新型具有結構簡單，設置合理，製作成本低等優點。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本實用新型的外部結構示意圖。
圖2是具體實施方式一的結構原理圖。
圖3是具體實施方式二的結構原理圖。
圖4是具體實施方式三的結構原理圖。
圖5是具體實施方式四的結構原理圖。
附圖標記說明：
裝置外殼1、光源陣列2、陣列聚光光學元件3、偏振增亮擴散元件4、液晶光閥5。
具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
具體實施方式一：
參看如圖1-圖2所示，本具體實施方式採用的技術方案是：它包含裝置外殼1、光源陣列2、折射透鏡陣列3、液晶光閥5；所述的光源陣列2、折射透鏡陣列3和液晶光閥5從右至左依次設置，它還包含偏振增亮擴散元件4；所述的偏振增亮擴散元件4設置在液晶光閥5與折射透鏡陣列3之間。
所述的偏振增亮擴散元件4與折射透鏡陣列3之間的距離為D，且D的範圍為30-60mm。
所述的折射透鏡陣列3為前後表面為凸面的折射透鏡組成。
所述的光源陣列2位發光二極體LED陣列，也可以為雷射光源陣列。
所述的偏振增亮擴散元件4的霧度小於60%。
本具體實施方式的工作原理：整個圖像顯示裝置的照明光由光源陣列2發出，發出的光線被折射透鏡陣列3聚焦，聚焦後的光線經過一段距離的傳播後，入射到偏振增亮擴散元件4上，偏振增亮擴散元4的霧度小於60%，且距離陣列聚光光學元件約30mm~60mm，在這段傳播距離過程中，各單獨聚光光學元件聚焦的光線會混合到一起，進行第一次的光束均勻擴展，偏振增亮擴散元件4的功能是作為一個二次照明均勻器，在一個較小的角度內對聚焦照明光束進行均勻擴展；同時，偏振增亮擴散元件4透過與液晶光閥5偏振方向相同的光束，反射與液晶光閥5偏振方向垂直的光束，因此偏振增亮擴散元件4將無法透過液晶光閥5的偏振光束反射回之前的光路，經過散射、反射等轉化後，重新變成可利用的照明光束，入射到偏振增亮擴散元件4上，從而提高光學利用率，達到增加亮度的目的，液晶光閥5上產生出所需要顯示的圖像，被經過勻光增亮後的光束照明，實現高亮度、高均勻性的圖像顯示，顯示器顯示的圖像被位於儀錶盤上方的反射鏡裝置和汽車風擋玻璃進行二次反射，然後進入駕駛員的眼睛。
採用上述結構後，本具體實施方式有益效果為：本具體實施方式所述的使用光源陣列照明的高亮度、高均勻性圖像顯示設備，在照明光束入射到液晶光閥之前進行光束擴展和偏振增亮，很好地平衡了亮度、均勻性、散熱、體積的問題。圖像顯示器的圖像亮度高、均勻性好，同時所有部件尺寸輕小，結構緊湊，安裝於車內，佔用空間小，本實用新型具有結構簡單，設置合理，製作成本低等優點。
具體實施方式二：
參看圖3，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：本具體實施方式中將偏振增亮擴散元件4與液晶光閥5通過粘膠貼合的工藝貼合到一起，將偏振增亮擴散元件4與液晶光閥5製作為一個整體，將進一步減小顯示器的結構和體積。
具體實施方式三：
參看圖4，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：本具體實施方式中將折射透鏡陣列3替換為涅菲爾鏡陣列，且涅菲爾鏡的一面為平面，另一個面為由多個環帶組成的帶有一定正光焦度的微結構。
具體實施方式四：
參看圖5，本具體實施方式與具體實施方式一的不同之處在於：本具體實施方式將折射透鏡陣列3替換為折反射鏡陣列，反射鏡可以是鏡面反射也可以是利用帶有一定折射率的介質（如PMMA，PC等）實現全反射。
以上所述，僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，本領域普通技術人員對本實用新型的技術方案所做的其它修改或者等同替換，只要不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。