一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及背光照明技术领域，特别涉及一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统。

背景技术：

2.汽车抬头显示系统中的背光照明系统通常用于照亮包含仪表、导航等图像信息，使这些图像信息能够经过成像光路投影到驾驶员视线附近，避免驾驶时频繁低头观看仪表盘。而从成像光路或系统输出的、被投影到汽车挡风玻璃前的虚像还需要要求具有其亮度均匀性符合人眼感知的亮度均匀程度，避免产生眩光，从而保证驾驶的安全性。
3.在实现本实用新型实施例过程中，发明人发现以上相关技术中至少存在如下问题：当前能够应用于抬头显示系统的背光照明系统要实现输出具有一定亮度和均匀性的图像，通常需要设置多个光学元件，如分别用于准直、匀光、光线角度控制、偏转光路以及扩散等功能的光学元件，所采用的光学器件数量较多，导致整个系统体积较大。同时，光学元件的数量多还会导致存在较多光学面，每个光学面都会存在光线吸收和菲涅尔损耗，光利用率较低，要达到要求亮度则需要增加背光光源的功率，而这又需要相应增加散热模组，进一步导致了整个系统的体积增大。

技术实现要素：

4.本技术实施例提供了一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统。
5.本实用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例中提供了一种背光照明系统，包括：背光源，配置为在第一方向上输出照明光；准直匀光元件或准直元件，设于所述背光源的出光侧且设置在所述第一方向上；偏折元件，设于所述准直匀光元件或准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上；扩散元件，设于所述偏折元件的出光侧且设置在所述第一方向上。
7.在一些实施例中，所述准直匀光元件的入光面为准直面，所述准直匀光元件的出光面为匀光面。
8.在一些实施例中，所述准直面由若干个准直透镜构成；所述匀光面由微透镜阵列构成，其中，所述微透镜阵列为若干个凹面微透镜构成的微透镜阵列或者若干个凸面微透镜构成的微透镜阵列。
9.在一些实施例中，所述背光源为发光二极管光源，所述发光二极管的数量与所述准直透镜的数量相同。
10.在一些实施例中，所述偏折元件由单个光学元件组成时，所述偏折元件为偏折扩散棱镜，所述偏折扩散棱镜的非平面为扩散面。
11.在一些实施例中，所述偏折元件由至少两个光学元件组成，组成所述偏折元件的至少两个光学元件设置在所述第一方向上。
12.在一些实施例中，所述偏折元件包括偏折棱镜和发散透镜时，所述偏折棱镜和所述发散透镜设置在所述第一方向上。
13.在一些实施例中，所述偏折棱镜设于所述准直匀光元件或所述准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上，所述发散透镜设于所述偏折棱镜的出光侧且设置在所述第一方向上；或者，所述发散透镜设于所述准直匀光元件或所述准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上，所述偏折棱镜设于所述发散透镜的出光侧且设置在所述第一方向上。
14.为解决上述技术问题，第二方面，本实用新型实施例中提供了一种成像系统，包括：如第一方面所述的背光照明系统；显示单元，设置在所述背光照明系统的出光侧，配置为接收所述背光照明系统出射的照明光并产生虚拟图像。
15.为解决上述技术问题，第三方面，本实用新型实施例提供了一种抬头显示系统，包括：如第二方面所述的成像系统。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例中提供了一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统，该背光照明系统包括按照光传播方向依次设置的背光源、准直匀光元件或准直元件、偏折元件和扩散元件，构成系统的光学元件最少仅需三个即可实现背光照明，能够有效缩小整个系统的体积，光损耗较少，且各光学元件皆设置在第一方向，光学利用效率高。
附图说明
17.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块表示为类似的元件/模块，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
18.图1(a)是现有的一种背光照明系统的结构示意图；
19.图1(b)是图1(a)所示背光照明系统的光路图；
20.图2(a)是本实用新型实施例一提供的一种背光照明系统的结构示意图；
21.图2(b)是图2(a)所示背光照明系统的光路图；
22.图2(c)是图2(a)所示背光照明系统的另一视角上的立体图；
23.图3(a)是本实用新型实施例一提供的另一种背光照明系统的结构示意图；
24.图3(b)是图3(a)所示背光照明系统的光路图；
25.图4是本实用新型实施例二提供的一种成像系统的结构示意图；
26.图5是本实用新型实施例三提供的一种抬头显示系统的结构示意图。
27.图中：10、背光照明系统；11、背光源；12、准直匀光元件或准直元件；12a、准直面；12b、匀光面；13、偏折元件；131、发散透镜；132、偏折棱镜；13a、偏折扩散棱镜的入光面；13b、偏折扩散棱镜的出光面；14、扩散元件；20、显示单元；100、成像系统；1000、抬头显示系统。
具体实施方式
28.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进。
这些都属于本实用新型的保护范围。
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。需要说明的是，本说明书所使用的术语“水平”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。为了便于结构限定，本实用新型以照明光的传输方向为参考进行部件的位置限定。
31.除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不适用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
33.图1(a)示出了现有的一种背光照明系统的结构，图1(b)示出了图1(a)所示背光照明系统的光路，现有的背光照明系统中，如图1所示，为了实现对照明光的准直、匀光、角度控制/调整、光路偏转、扩散等各个功能，需要相应设置各个光学元件，而光学元件的数量较多会导致存在较多的光学面，每个光学面都会存在光线吸收和菲涅尔损耗，这会导致光损失较大、光能利用率低；同时，现有的背光照明系统中还会使用反射元件进行光路偏转，采用多个透镜对光线角度进行调整等，而反射或透射通常只有一半的光线能量能够被利用，同样存在菲涅尔损耗，也会导致光损失较大、光能利用率低；进而，为了让背光照明系统能够达到需求亮度，又需要提高背光源的功率，这又导致系统中，如在图1(a)中，在系统各侧，尤其是背光源所在的一侧需要增加散热结构，避免系统过热损坏。
34.为了解决上述光损失大、光能利用率低、系统散热需求高的问题，本实用新型实施例提供了一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统，构成背光照明系统的光学元件最少仅需三个即可实现背光照明，能够有效缩小整个系统的体积，光损耗较少，且各光学元件皆设置在第一方向，光学利用效率高。
35.具体地，下面结合附图，对本实用新型实施例作进一步阐述。
36.实施例一
37.本实用新型实施例提供了一种背光照明系统，请参见图2(a)、图2(b)和图2(c)，其中，图2(a)示出了本实用新型实施例提供的一种背光照明系统10的结构，图2(b)示出了图2(a)所示背光照明系统的光路，图2(c)示出了图2(a)所示背光照明系统的另一视角上的立体图，所述背光照明系统10包括：背光源11、准直匀光元件或准直元件12、偏折元件13、扩散元件14。
38.所述背光源11，配置为在第一方向上输出照明光。可选地，所述背光源11可以为发光二极管(light-emitting diode，led)光源，所述发光二极管的数量可根据成像的亮度需求、颜需求等进行设置。在其他的一些实施例中，所述背光源11也可以是其他照明光源，
如电致发光(electroluminescent，el)、冷阴极荧光灯管(cold cathode fluorescent lamp，ccfl)、激光二极管(laser diode，ld)等；所述背光源11也可以是发光二极管光源的具体分类，如有机发光二极管oled、无机发光二极管led、有源矩阵有机发光二极体面板amoled、次毫米发光二极管mini led、micro led等；具体可根据实际需要选择所述背光源11的类型及数量等参数，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。在图2(b)所示示例中，所述的第一方向为图中所指示的x方向，也即水平方向，也即光路的整体传输方向。
39.所述准直匀光元件或准直元件12，设于所述背光源11的出光侧且设置在所述第一方向上。其中，当光学元件12采用准直匀光元件时，同时具备准直和匀光两个功能，相较于采用两个光学元件实现这两个功能的方案，能够有效降低成本，减少光学面，提高光能量的利用效率。具体地，当图2(a)所指示的光学元件12为准直匀光元件时，所述准直匀光元件12的入光面12a为准直面，所述准直匀光元件12的出光面12b为匀光面。可选地，所述准直面12a由若干个准直透镜构成，且有，所述准直透镜的数量与所述发光二极管的数量相同，一并参见图2(a)和图2(c)可知，在图2所示示例中，所述准直透镜的数量与所述发光二极管的数量皆为16个。可选地，请参见图2(a)，所述匀光面12b由微透镜阵列构成，其中，所述微透镜阵列为若干个凹面微透镜构成的微透镜阵列或者若干个凸面微透镜构成的微透镜阵列。在其他的一些实施例中，光学元件12是选用准直匀光元件，还是选用准直元件，可根据对光线的调整需求进行选择；所述准直面12a和/或所述匀光面12b的结构，可根据实际需要进行设计；所述准直透镜的数量与所述发光二极管的数量、形状、排列方式等可根据实际需要进行选择；上述有关所述准直匀光元件或准直元件12的结构设计可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例及附图的限定。
40.所述偏折元件13，设于所述准直匀光元件或准直元件12的出光侧且设置在所述第一方向上，所述偏折元件13包括一个或多个光学元件。当所述偏折元件由至少两个光学元件组成时，组成所述偏折元件的至少两个光学元件设置在所述第一方向上，例如，图2所示示例中，所述偏折元件13包括偏折棱镜132和发散透镜131，且所述偏折棱镜132和所述发散透镜131设置在所述第一方向上，所述偏折棱镜132用于偏折光路使得照明光最终能够以预定的角度到达显示单元，所述发散透镜131用于对光线横向和竖向的发散角度进行控制，提高光能量利用率。且有，在图2所示示例中，所述发散透镜131设于所述准直匀光元件或所述准直元件12的出光侧且设置在所述第一方向上；所述偏折棱镜132设于所述发散透镜131的出光侧且设置在所述第一方向上。在其他的一些实施例中，所述偏折棱镜132和所述发散透镜131之间的位置也可以调换，也即，还可以是所述偏折棱镜132设于所述准直匀光元件或所述准直元件12的出光侧且设置在所述第一方向上，所述发散透镜131设于所述偏折棱镜132的出光侧且设置在所述第一方向上的情况，不需要拘泥于本实用新型实施例附图的限定。
41.所述扩散元件14，设于所述偏折元件13的出光侧且设置在所述第一方向上，所述扩散单元用于对照明光束进行扩散，且经过所述扩散元件14扩散后的照明光可以直接用于对显示单元进行照明，以预定的角度将照明光透射到显示单元上。
42.本实用新型实施例提供的如图2所示的背光照明系统10工作时，请具体参见图2(b)，所述背光源11输出的照明光首先通过准直匀光元件12的准直面12a将照明光准直，再通过准直匀光元件12的匀光面12b将准直后的照明光调整为均匀输出的光；其中，若光学元
件12为准直元件，则准直元件12仅将照明光准直；然后，准直匀光处理后的照明光或准直处理后的照明光通过发散透镜131调整发散角度后，再通过偏折棱镜132偏折光路；最后，偏折发散后的照明光通过扩散元件14输出后成像。
43.可选地，在其他的一些实施例中，请参见图3(a)和图3(b)，其中，图3(a)示出了本实用新型实施例提供的另一种背光照明系统10的结构，图3(b)示出了图3(a)所示背光照明系统的光路，所述偏折元件13还可以是由单个光学元件组成，所述偏折扩散棱镜的非平面为扩散面，此时，所述偏折元件13为偏折扩散棱镜，通过一个光学元件同时对光线进行偏折和控制发散角度，所述背光照明系统10仅需三个光学元件即可实现对照明光的光路调整，减小了背光模组的光学体积，提高光能量利用率。且当所述偏折元件13为偏折扩散棱镜时，所述偏折扩散棱镜13包括入光面13a和出光面13b，且在图3所示示例中，所述偏折扩散棱镜13的出光面13b为非平面面型的扩散面，所述光线沿所述第一方向传输后，从所述入光面13a进入所述偏折扩散棱镜13，并通过所述出光面13b扩散后继续沿第一方向输出。需要说明的是，上述图2和图3所示示例为所述偏折元件13的一种优选的设置方式，在实际应用场景中，可根据实际需要设计所述偏折元件13中光学元件的数量、形状等，不需要拘泥于本实用新型实施例的限定。
44.本实用新型实施例提供的如图3所示的背光照明系统10工作时，请具体参见图3(b)，所述背光源11输出的照明光首先通过准直匀光元件12的准直面12a将照明光准直，再通过准直匀光元件12的匀光面12b将准直后的照明光调整为均匀输出的光；其中，若光学元件12为准直元件，则准直元件12仅将照明光准直；然后，准直匀光处理后的照明光或准直处理后的照明光通过偏折扩散棱镜13调整发散角度和偏折角度；最后，偏折发散后的照明光通过扩散元件14输出后成像。
45.本实用新型实施例提供的两种背光照明系统10中，图2所示示例仅需采用四个光学元件即可实现背光照明，图3所示示例仅需采用三个光学元件即可实现背光照明，相较于图1现有的需要五个光学元件实现背光照明的系统而言，需要的光学元件更少，因此能够有效降低背光成本，系统体积也更小。同时，光学元件的减少也导致对应的整个系统的光学面的数量更少，因此能够显著降低了光学面对光能量的吸收和菲涅尔损耗，提高光能利用率。进而，由于光能利用率提高了，在背光照明系统10输出照明光的亮度满足需求的前提下，也能够采用功率更低的背光源11，这一方面能够避免系统过热损坏，另一方面能够进一步简化系统中散热结构的设计，进而缩小系统体积。相较于图1所示现有的背光照明系统，本实用新型实施例提供的背光照明系统10具有低成本、低功率、高效、体积迷你的优点。
46.实施例二
47.本实用新型实施例提供了一种成像系统，请参见图4，其示出了本实用新型实施例提供的一种成像系统的结构，所述成像系统100包括：背光照明系统10和显示单元20。
48.所述背光照明系统10为如实施例一所述的背光照明系统10，具体地，所述背光照明系统10的结构及成像原理、成像光路等请参见实施例一及其附图所示，此处不再详述。
49.所述显示单元20，设置在所述背光照明系统10的出光侧，配置为接收所述背光照明系统10出射的照明光并产生虚拟图像，所述虚拟图像可以是彩图像，也可以是黑白图像，具体可根据实际需要设置所述背光照明系统输出的照明光的彩和/或选择所述显示单元20的类型，例如，可以是液晶显示屏(liquid crystal display，lcd)。经所述背光照明
系统10输出的照明光投射到所述显示单元20后，激发产生生成图像光束，图像光束在成像介质上实现成像。
50.采用本实用新型实施例一提供的背光照明系统10为成像系统100提供背光时，成像系统100达到要求亮度/目标亮度的图像输出需要的功率相较于现有的背光照明系统的功率较低，能够避免烧坏所述显示单元20；同时，由于可以采用更低功率的背光源，系统内的散热结构也可以简化设计，进一步缩小所述成像系统100的体积。
51.实施例三
52.本实用新型实施例提供了一种抬头显示系统，请参见图5，其示出了本实用新型实施例提供的一种抬头显示系统的结构，所述抬头显示系统1000包括：如实施例二所述的成像系统100。
53.具体地，所述成像系统100的结构及成像原理、成像光路等请参见实施例一、实施例二及其附图所示，此处不再详述。
54.通常地，所述抬头显示系统1000通常为汽车、飞机中的抬头显示系统(head up display，hud)，又称为平视显示系统，通常采用人眼视线可平时观察到的风挡玻璃作为成像介质，因此，所述成像系统100输出的图像光束可在所述抬头显示系统1000的风挡玻璃上实现成像。而所述成像系统100采用本实用新型实施例一提供的背光照明系统，能够输出亮度均匀的图像光束，从而在所述风挡玻璃上产生亮度均匀的虚像。
55.本实用新型实施例中提供了一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统，该背光照明系统包括按照光传播方向依次设置的背光源、准直匀光元件或准直元件、偏折元件和扩散元件，构成系统的光学元件最少仅需三个即可实现背光照明，能够有效缩小整个系统的体积，光损耗较少，且各光学元件皆设置在第一方向，光学利用效率高。
56.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其他变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

技术特征：

1.一种背光照明系统，其特征在于，包括：背光源，配置为在第一方向上输出照明光；准直匀光元件或准直元件，设于所述背光源的出光侧且设置在所述第一方向上；偏折元件，设于所述准直匀光元件或准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上；扩散元件，设于所述偏折元件的出光侧且设置在所述第一方向上。2.根据权利要求1所述的背光照明系统，其特征在于，所述准直匀光元件的入光面为准直面，所述准直匀光元件的出光面为匀光面。3.根据权利要求2所述的背光照明系统，其特征在于，所述准直面由若干个准直透镜构成；所述匀光面由微透镜阵列构成，其中，所述微透镜阵列为若干个凹面微透镜构成的微透镜阵列或者若干个凸面微透镜构成的微透镜阵列。4.根据权利要求3所述的背光照明系统，其特征在于，所述背光源为发光二极管光源，所述发光二极管的数量与所述准直透镜的数量相同。5.根据权利要求1-4任一项所述的背光照明系统，其特征在于，所述偏折元件由单个光学元件组成时，所述偏折元件为偏折扩散棱镜，所述偏折扩散棱镜的非平面为扩散面。6.根据权利要求1-4任一项所述的背光照明系统，其特征在于，所述偏折元件由至少两个光学元件组成，组成所述偏折元件的至少两个光学元件设置在所述第一方向上。7.根据权利要求6所述的背光照明系统，其特征在于，所述偏折元件包括偏折棱镜和发散透镜时，所述偏折棱镜和所述发散透镜设置在所述第一方向上。8.根据权利要求7所述的背光照明系统，其特征在于，所述偏折棱镜设于所述准直匀光元件或所述准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上，所述发散透镜设于所述偏折棱镜的出光侧且设置在所述第一方向上；或者，所述发散透镜设于所述准直匀光元件或所述准直元件的出光侧且设置在所述第一方向上，所述偏折棱镜设于所述发散透镜的出光侧且设置在所述第一方向上。9.一种成像系统，其特征在于，包括：如权利要求1-8任一项所述的背光照明系统；显示单元，设置在所述背光照明系统的出光侧，配置为接收所述背光照明系统出射的照明光并产生虚拟图像。10.一种抬头显示系统，其特征在于，包括：如权利要求9所述的成像系统。

技术总结

本实用新型实施例涉及背光照明技术领域，公开了一种背光照明系统、成像系统及抬头显示系统，该背光照明系统包括按照光传播方向依次设置的背光源、准直匀光元件或准直元件、偏折元件和扩散元件，构成系统的光学元件最少仅需三个即可实现背光照明，能够有效缩小整个系统的体积，光损耗较少，且各光学元件皆设置在第一方向，光学利用效率高。光学利用效率高。光学利用效率高。