使用光源阵列照明的高亮度、高均匀性图像显示设备的制作方法

本实用新型涉及图像显示装置技术领域，具体涉及使用光源阵列照明的高亮度、高均匀性图像显示设备。

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出现在通用旗下的奥兹莫比（Cutlass Supreme）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。

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。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极具下降。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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的使用光源阵列照明的高亮度、高均匀性图像显示设备，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，同时所有部件尺寸轻小，结构紧凑，安装于车内，占用空间小。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：它包含装置外壳、光源阵列、阵列聚光光学元件、液晶光阀；所述的光源阵列、阵列聚光光学元件和液晶光阀从右至左依次设置，它还包含偏振增亮扩散元件；所述的偏振增亮扩散元件设置在液晶光阀与阵列聚光光学元件之间。

所述的偏振增亮扩散元件与阵列聚光光学元件之间的距离为D，且D的范围为30-60mm。

所述的偏振增亮扩散元件与液晶光阀贴合设置。

所述的阵列聚光光学元件可以为折射透镜组成，也可以为涅菲尔镜阵列，还可以为折反射镜阵列。

所述的光源阵列为发光二极管LED阵列，也可以为激光光源阵列。

所述的偏振增亮扩散元件的雾度小于60%。

所述的阵列聚光光学元件通过将聚焦照明光束进行分割、混合、扩展，使聚焦照明光束在一个较小的角度内进行扩展，从而使得照明光束经过扩展后照度分布更加均匀。

本实用新型的工作原理：整个图像显示装置的照明光由光源阵列发出，发出的光线被阵列聚光光学元件聚焦，聚焦后的光线经过一段距离的传播后，入射到偏振增亮扩散元件上，偏振增亮扩散元,的雾度小于60%，且距离阵列聚光光学元件约30mm~60mm，在这段传播距离过程中，各单独聚光光学元件聚焦的光线会混合到一起，进行第一次的光束均匀扩展，偏振增亮扩散元件的功能是作为一个二次照明均匀器，在一个较小的角度内对聚焦照明光束进行均匀扩展；同时，偏振增亮扩散元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，因此偏振增亮扩散元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元件上，从而提高光学利用率，达到增加亮度的目的，液晶光阀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、高均匀性的图像显示，显示器显示的图像被位于仪表盘上方的反射镜装置和汽车风挡玻璃进行二次反射，然后进入驾驶员的眼睛。

采用上述结构后，本实用新型有益效果为：本实用新型所述的使用光源阵列照明的高亮度、高均匀性图像显示设备，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，同时所有部件尺寸轻小，结构紧凑，安装于车内，占用空间小，本实用新型具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的外部结构示意图。

图2是具体实施方式一的结构原理图。

图3是具体实施方式二的结构原理图。

图4是具体实施方式三的结构原理图。

图5是具体实施方式四的结构原理图。

附图标记说明：

装置外壳1、光源阵列2、阵列聚光光学元件3、偏振增亮扩散元件4、液晶光阀5。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

具体实施方式一：

参看如图1-图2所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含装置外壳1、光源阵列2、折射透镜阵列3、液晶光阀5；所述的光源阵列2、折射透镜阵列3和液晶光阀5从右至左依次设置，它还包含偏振增亮扩散元件4；所述的偏振增亮扩散元件4设置在液晶光阀5与折射透镜阵列3之间。

所述的偏振增亮扩散元件4与折射透镜阵列3之间的距离为D，且D的范围为30-60mm。

所述的折射透镜阵列3为前后表面为凸面的折射透镜组成。

所述的光源阵列2位发光二极管LED阵列，也可以为激光光源阵列。

所述的偏振增亮扩散元件4的雾度小于60%。

本具体实施方式的工作原理：整个图像显示装置的照明光由光源阵列2发出，发出的光线被折射透镜阵列3聚焦，聚焦后的光线经过一段距离的传播后，入射到偏振增亮扩散元件4上，偏振增亮扩散元4的雾度小于60%，且距离阵列聚光光学元件约30mm~60mm，在这段传播距离过程中，各单独聚光光学元件聚焦的光线会混合到一起，进行第一次的光束均匀扩展，偏振增亮扩散元件4的功能是作为一个二次照明均匀器，在一个较小的角度内对聚焦照明光束进行均匀扩展；同时，偏振增亮扩散元件4透过与液晶光阀5偏振方向相同的光束，反射与液晶光阀5偏振方向垂直的光束，因此偏振增亮扩散元件4将无法透过液晶光阀5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元件4上，从而提高光学利用率，达到增加亮度的目的，液晶光阀5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、高均匀性的图像显示，显示器显示的图像被位于仪表盘上方的反射镜装置和汽车风挡玻璃进行二次反射，然后进入驾驶员的眼睛。

采用上述结构后，本具体实施方式有益效果为：本具体实施方式所述的使用光源阵列照明的高亮度、高均匀性图像显示设备，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，同时所有部件尺寸轻小，结构紧凑，安装于车内，占用空间小，本实用新型具有结构简单，设置合理，制作成本低等优点。

具体实施方式二：

参看图3，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中将偏振增亮扩散元件4与液晶光阀5通过粘胶贴合的工艺贴合到一起，将偏振增亮扩散元件4与液晶光阀5制作为一个整体，将进一步减小显示器的结构和体积。

具体实施方式三：

参看图4，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中将折射透镜阵列3替换为涅菲尔镜阵列，且涅菲尔镜的一面为平面，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。

具体实施方式四：

参看图5，本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式将折射透镜阵列3替换为折反射镜阵列，反射镜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。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。