TW201903466A

TW201903466A - 使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統

Info

Publication number: TW201903466A
Application number: TW106117974A
Authority: TW
Inventors: 呂和
Original assignee: 至辰光電科技股份有限公司
Priority date: 2017-05-31
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-01-16
Also published as: TWI626472B

Abstract

一種使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，係由至少一組紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三種顏色的單色光源組成的光源組，經由準直透鏡射出，經由一組特別配置的微透鏡陣列將光束導入一液晶顯示器中的彩色濾光片中，該彩色濾光片上設有密集而規則的接收紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)光的色點，此色點分別對齊液晶顯示器各像素(Pixel)中代表R、G、B影像輸出的三個液晶顯示單元；其中，該微透鏡陣列具有密集的透鏡單元數量與液晶顯示器上的像素(Pixel)總數相同且對齊，使得三種顏色能各自穿透彩色濾光片上的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)的色點而沒有被明顯吸收，致使穿透率大幅提升；且使得液晶顯示器的色彩飽合度較佳，而色三角較大，並且不需要擴散片，明顯提高了照明系統的方向性及亮度。

Description

使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統

本發明係有關於一種使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，尤指一種特別適合使用在車用抬頭顯示器的照明系統。

抬頭顯示器(Head Up Display，以下簡稱為HUD)係由一虛像投影系統的盒體(Box)及一光合成器(Combiner)所組成，早期是裝設於戰鬥機上，飛行員可經過光合成器同時觀看前方景物，以及由該裝置投射之虛像資訊而不必低頭察看儀表板，由於科技的不斷進步，較先進的汽車工業也漸漸採用了HUD的系統，而在HUD系統中，如何減少光源的浪費，提供足夠的亮度，減少耗電量，降低散熱需求，攸關HUD系統的可靠度，在車用系統嚴酷的環境條件下，顯得特別重要。因此HUD的照明系統的設計需要再加以細心研發才能更上一層樓。

習用的抬頭顯示器照明系統，請參看第5、6圖所示，包括有：多數個發光源60，每一個發光源60皆係由一白光光源的發光二極體602罩上一個聚光杯601所構成，而在發光二極體602發出光源後，經由聚光杯601將光線向外射出；由於發光二極體602為一小面積的朗伯特(Lambertian)光源，其發光強度與發光角度呈餘弦函數(cosine)關係，而聚光杯601之功能係將發光二極體602之擴散光源聚光，形成具方向性的小角度，較接近平行光的大面積(聚光杯的出口大小)直射光源。

一導光柱61，係用以容納上述諸發光源60，該導光柱為一四面為高反射率鏡面的空心柱體，以本案圖示而言，下方為入光面，而上方為出光面，可將諸發光源60的光線經由各聚光杯601之出射光混合後，達到均勻混合的效果，並使光線依導光柱61的出光面方向射出。

一擴散片62，係設於導光柱61另端(即出光面)，加設擴散片62的效能是將由導光柱61出光面射出的光，擴散至一適當角度而形成一均勻的面光源，用來充作後方LCD面板63的背光源而構成了習用的照明系統。

惟，一般習用技術中，發光源60以一白光光源的發光二極體602罩上一個聚光杯601，光線經反射向前，已有能量的耗損，再加上擴散片62，雖然可使照明光線變更均勻柔和；但是角度也因此會擴散，難以集中在特定角度(HUD的視場角)及HUD的可視範圍(Eye-box)內，這對HUD的使用上造成光度的浪費，且習用的照明系統的白光光源再經過後方液晶顯示器中的彩色濾光片吸收後又更加減弱了光源的強度，並且光線容易擴散不易集中，是習用主要的缺點，因此HUD需要更好的照明系統，才能使HUD更提昇品質，更具有競爭性。

本發明之主要目的，在以由紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三種顏色的單色光源組成的光源組，經由準直透鏡射出，經由一組特別置的微透鏡陣列將光束導入一液晶顯示器中的彩色濾光片中，該彩色濾光片上設有密集而規則的接收紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)光的色點，此色點分別對齊液晶顯示器各像素(Pixel)中代表R、G、B影像輸出的三個液晶顯示單元；其中，該微透鏡陣列具有密集的透鏡單元數量與液晶顯示器上的像素(Pixel)總數相同且對齊，使得三種顏色能各自穿透彩色濾光片上的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)的色點而沒有被明顯吸收，致使穿透率大幅提升；且使得液晶顯示器的色彩飽合度較佳，而色三角較大，並且不需要擴散片，明顯提高了照明系統的亮度，並減少光源的浪費。

為達到上述之目的，本發明可由下列方式來達成：

至少包含有：一光源組，包含有紅、綠、藍三個單色光源，能分別將光束射向前方；並在光源組的諸單色光源的前方設有準直透鏡，使該光線能向前平行射出；一組微透鏡陣列，係由透光材質構成塊狀結構體，且分別在相互呈平行設置的入光面及出光面上，分別設有呈相對設置的透鏡陣列面，該透鏡陣列面上分別各自形成有數多數個連續且緊密排列的透鏡單元；當光源組的光線經準直透鏡再射入微透鏡陣列的第一個單元板上緊密排列的透鏡單元，恰能使改變入射的光束分開為R,G,B三的方向個聚光光束，並且投射到出光側的第二個透鏡陣列面上的各相對應的透鏡單元上；此第二個透鏡陣列面上的各相對應的透鏡單元恰能改變各光束的方向，使各個R,G,B聚光光束以垂直方向射出；一彩色濾光片(可位於液晶顯示器中，亦可單獨設置)，係置於微透鏡陣列的出光側，該彩色濾光片上設有密集而規則的接收紅色、綠色、藍色光的色點，此色點組成之像素係分別對齊液晶顯示器各像素中代表紅色、綠色、藍色影像輸出的三個液晶顯示單元；且上述微透鏡陣列具有密集的透鏡單元數量與液晶顯示器上的像素總數相同且對齊，使得三種顏色光束能各自穿透彩色濾光片上的紅色、綠色、藍色的色點使得液晶顯示器的色彩飽合度及亮度提高。

〔習用〕

60‧‧‧發光源

601‧‧‧聚光杯

602‧‧‧發光二極體

61‧‧‧導光柱

62‧‧‧擴散片

63‧‧‧面板

〔本發明〕

10‧‧‧光源組

11‧‧‧單色光源

12‧‧‧單色光源

13‧‧‧單色光源

20‧‧‧準直透鏡

30‧‧‧微透鏡陣列

30’‧‧‧微透鏡陣列

31‧‧‧透鏡陣列面

31’‧‧‧透鏡陣列面

310‧‧‧透鏡單元

32‧‧‧透鏡陣列面

32’‧‧‧透鏡陣列面

320‧‧‧透鏡單元

40‧‧‧彩色濾光片

41‧‧‧像素

41R‧‧‧色點

41G‧‧‧色點

41B‧‧‧色點

50‧‧‧液晶顯示器

L‧‧‧光束

L0‧‧‧光束

L1‧‧‧光束

L2‧‧‧光束

第1圖係本發明之平面結構示意圖。

第2圖係本發明之立體結構示意圖。

第3圖係本發明之微透鏡陣列第二種實施例及立體組設示意圖。

第4圖係本發明光源並列使用之實施例示意圖。

第5圖係習用抬頭顯示器的光源系統分解圖。

第6圖係習用抬頭顯示器的光源系統組合剖視圖。

本發明抬頭顯示器之結構，請參看第1圖所示，係為本發明系統的單元平面圖，而第2圖為本發明的單元立體示意圖，至少包含有：一光源組10，包含有三個單色光源11,12,13，最佳實施例係為紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三種顏色的發光二極體(LED)或雷射二極體光源，能分別將光束L射向前方；為使該光線能向前平行射出，可在光源組10的諸單色光源11,12,13的前方設有準直透鏡20，該準直透鏡20可依實際需要而增加數量，通常設計上兼顧效能及不佔空間要求，是以一個或二個為常用的模式，但本案圖式僅以一個作為示意。

一組微透鏡陣列30，為透明塊狀結構體，且分別在相互呈平行設置的入光面及出光面上，分別設有呈相對設置的透鏡陣列面31,32，該透鏡陣列面31,32上分別各自形成有數個連續且緊密排列的透鏡單元310,320，其中在第2圖所示的透鏡單元310,320為多個緊密並列的矩形單元；該微透鏡陣列30的二透鏡陣列面31,32間，因透光材質而能提供光束L1,L0,L2直接通過；該微透鏡陣列30可由透明材質一體成型為之更為方便；再請參看如第1、2圖所示的微透鏡陣列30實施例，當光源組10的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)單色光源11,12,13發出之光束L射向前方，經準直透鏡20再射入微透鏡陣列30的第一個透鏡陣列面31上緊密排列的透鏡單元310，能使光束L1,L0,L2各自聚光，並且投射到第二個透鏡陣列面32上的相對透鏡單元320上。

請參看第1、2圖所示，一彩色濾光片40，係置於微透鏡陣列30出光側的第二個透鏡陣列面32外，該彩色濾光片40上設有密集而規則的接收紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)光的色點41R,41G,41B(即第1圖的左方放大圖)，此色點41R,41G,41B組成之像素41(即Pixel)係分別對齊液晶顯示器50各像素(Pixel)中代表紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)影像輸出的三個液晶顯示單元(圖中未示)；其中，上述微透鏡陣列30具有密集的透鏡單元310,320數量與液晶顯示器上的像素(Pixel)總數相同且對齊，使得三種顏色光束L1,L0,L2能各自聚光並穿透彩色濾光片40上的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)的色點41R,41G,41B使得液晶顯示器50的色彩飽合度較佳，而色三角較大，並且方向性佳不需要擴散片，明顯提高了照明系統的亮度。

上述光源組10前方所設之準直透鏡20可為單一大透鏡，或為由數個小準直透鏡組成的透鏡陣列形成，但此為熟知此技藝人士可依本發明所輕易變更修改，不再另以圖式贅述。

請參看第2圖所示，該微透鏡陣列30前、後透鏡陣列面31,32上的透鏡單元310,320係為多個矩形透鏡，能收集適量的光線投射在彩色濾光片40上一列相對的像素41；但在光源組10、準直透鏡20、彩色濾光片40都不變的前題之下，該微透鏡陣列30可以變化成如第3圖所示的微透鏡陣列30’，該微透鏡陣列30’前、後透鏡陣列面31’,32’上的透鏡單元310’,320’為一長形柱面透鏡，且該柱面透鏡之寬度恰可涵蓋彩色濾光片上一行R,G,B相對的像素，即恰相對於彩色濾光片40上每一個由紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)色點41R,41G,41B組成的像素41上，亦能達到預期的功效。

請參看第1、4圖所示，本發明在實施時，可將其並列組成密集分佈的光源，進行投射，配合一(或數個)準直透鏡20陣列，而得到色彩飽合度更佳，光線不被消耗過多的照明系統。

請參看第1、2圖所示，由於本發明在使用時，當光源組10的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)單色光源11,12,13發出之光束L射向前方，經準直透鏡20形成平行光再射入微透鏡陣列30的第一個透鏡陣列面31上緊密排列的透鏡單元310，使光束L1,L0,L2得以分別聚光，並投射到第二個透鏡陣列面32上的透鏡單元320上；由於微透鏡陣列30具有密集的透鏡單元310,320數量與液晶顯示器上的像素(Pixel)總數相同且對齊，使得三種顏色光束L1,L0,L2聚光後能各自穿透彩色濾光片40上的紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)的色點41R,41G,41B使得液晶顯示器50的色彩飽合度較佳，光線不被消耗過多，是本發明的主要優點。

另外，由於本發明光源組10以三色對應於相對的像素41，故紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)三種顏色的色彩飽合度較佳，而色三角(Color Gamut)較大，是本發明另一優點。

本發明並未有如習用的擴散片設置，因此光源並未被大量消耗，依實際的測試，本發明若以發光二極體而言，它的光線穿透率是習用一般規格(小於5%)的2至3倍，為本發明之又一優點。

唯，以上所述之結構，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；故當熟習此技藝所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，例如附加其他的配件，或者略為更改尺寸大小，或者改變微透鏡陣列中透鏡單元的數量，或材質上的變更，但整體架構不變者，皆應涵蓋於本發明之特徵內。

Claims

一種使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，至少包含有：一光源組，包含有紅、綠、藍三個單色光源，且呈並排方式設置，能分別將光束射向前方；並在光源組的諸單色光源的前方設有準直透鏡，使該光線能向前平行射出；一組微透鏡陣列，係由透光材質構成塊狀結構體，且分別在相互呈平行設置的入光面及出光面上，分別設有呈相對設置的透鏡陣列面，該透鏡陣列面上分別各自形成多數個連續且緊密排列的透鏡單元；當光源組的光線經準直透鏡由入光側射入微透鏡陣列時，位於該側的第一個透鏡陣列面上各緊密排列的透鏡單元，恰能使入射的光束分開為紅、綠、藍三個聚光光束，並且投射到出光側的第二個透鏡陣列面上的各相對應的透鏡單元上；此第二個透鏡陣列面上的各相對應的透鏡單元恰能改變各光束的方向，使各個紅、綠、藍聚光光束以垂直方向射出；一彩色濾光片，係配置於一液晶顯示面板，且係置於微透鏡陣列的出光側，該彩色濾光片上設有密集而規則的接收紅色、綠色、藍色光的色點，此色點組成之像素係分別對齊液晶顯示器各像素中代表紅色、綠色、藍色影像輸出的三個液晶顯示單元；且上述微透鏡陣列具有密集的透鏡單元數量與液晶顯示器上的像素總數相同且對齊，經微透鏡陣列引導，使得三種顏色光束能各自穿透彩色濾光片上的紅、綠、藍的色點而沒有被明顯吸收，而達到穿透率提升及色彩飽合度提高。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該微透鏡陣列為透明材質，且由一體成型構成。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該準直透鏡為單一透鏡。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該準直透鏡為複數個透鏡組成。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該光源組的單色光源為發光二極體或雷射二極體光源的其中之一。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該光源組為複數個，且分別為紅、綠、藍光源所構成。
如申請專利範圍第1項所述之使用三原色光源之高效率抬頭顯示器照明系統，該微透鏡陣列的二透鏡陣列面上的透鏡單元為一長形柱面透鏡，且該柱面透鏡之寬度恰可涵蓋彩色濾光片上一行紅、綠、藍色點相對的像素。