CN111123511A - 照明系统及照明方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及照明系统和照明方法。该照明系统可包括：发出照明光束的光源模块；光线调整机构，其沿着光束的光路设置在光源模块之后，对入射的光束进行整形并输出均匀的光束；微结构，其沿着光束的光路设置在光线调整机构之后，调整出射的光束的发散角度；以及显示模块，其接收从微结构出射的光束以照亮显示图像。根据本申请的照明系统和照明方法，能够对光束的发散角度进行有效控制以适配不同尺寸的LCD屏幕。

Description

照明系统及照明方法

技术领域

本申请涉及机械工程、照明等技术领域，更具体地，涉及实现多种发散角度的TFT-PGU的照明系统和照明方法。

背景技术

随着安全驾驶技术的不断发展，使得车载HUD(Head up Display；抬头显示系统)得到了广泛的应用。HUD光学系统的目的是在道路前方数米观看距离中为驾驶员呈现虚拟显示，驾驶员总是能够在基本的视野中获得与驾驶相关的各种信息，而无需低头观察仪表，大大提升安全系数。

虽然DLP-PGU是未来HUD的主流，但考虑到传统TFT-PGU较DLP-PGU的价格更便宜，体积更小，因此客户对TFT-PGU的需求还是比较大。

TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)-PGU的目标是能够将LCD屏幕均匀照亮，并尽可能的提高系统光效。由于LCD本身是不发光的，因此，LCD上的图像需要借助照明来将图像传达到人眼，这种照明方式为背光照明；但常常因为背光的发散角度小导致LCD屏幕边缘区域不能被照亮，从而需要将LCD放置在较远的位置；或者发散角较大导致LCD屏幕范围之外的区域也被照亮，使能量溢出造成光效降低。

因此，需要一种既不增大体积，也不影响光效，同时也能对发散角度进行有效控制以适配LCD的照明系统和照明方法。

发明内容

本申请的目的在于至少部分地解决现有照明系统中存在的上述至少一个问题。

本申请一方面提供了一种照明系统，该照明系统可包括：发出照明光束的光源模块；光线调整机构，其沿着光束的光路设置在光源模块之后，对入射的光束进行整形并输出均匀的光束；微结构，其沿着光束的光路设置在光线调整机构之后，调整出射的光束的发散角度；以及显示模块，其接收从微结构出射的光束以照亮显示图像。

在一个实施方式中，光线调整机构沿光束的光路依次可包括准直透镜、中继透镜和柱面镜，其中，准直透镜可对入射的光束进行准直并输出；中继透镜可对入射的光束进行整形、均匀化并输出；以及柱面镜可对入射的光束进行收束并输出。

在一个实施方式中，光线调整机构还可包括反射镜，该反射镜沿着光束的光路设置在中继透镜与柱面镜之间，以使从中继透镜出射的光束改变传播方向入射至柱面镜。

在一个实施方式中，微结构可在柱面镜的、朝向显示模块的表面制备形成，与柱面镜为一体。

在另一实施方式中，微结构可分离地设置在柱面镜与显示模块之间。

在一个实施方式中，微结构可在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。

在一个实施方式中，微结构可在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

在一个实施方式中，光源模块可为LED光源。

在一个实施方式中，显示模块可为TFT显示器。

在一个实施方式中，准直透镜可为全内反射TIR透镜。

在一个实施方式中，中继透镜可为微阵列透镜。

本申请另一方面提供了一种使用上述照明系统控制光束出射角度的照明方法，该照明方法包括以下步骤：

1)利用光源模块发出用于照明的光束；

2)通过光线调整机构对光束进行整形并输出均匀的光束；

3)通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度；以及

4)经调整发散角度的光束出射至显示模块，以进行照明。

在一个实施方式中，通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度可包括在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。

在一个实施方式中，通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度可包括在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

在一个实施方式中，光线调整机构沿光束的光路依次可包括准直透镜、中继透镜和柱面镜，其中，准直透镜可对入射的光束进行准直并输出；中继透镜可对入射的光束进行整形、均匀化并输出；以及柱面镜可对入射的光束进行收束并输出。

在一个实施方式中，光线调整机构还可包括反射镜，该反射镜沿着光束的光路设置在中继透镜与柱面镜之间，以使从中继透镜出射的光束改变传播方向入射至柱面镜。

在一个实施方式中，微结构可在柱面镜的、朝向显示模块的表面制备形成，与柱面镜为一体。

在一个实施方式中，微结构可分离地设置在柱面镜与显示模块之间。

根据本申请上述实施方式的照明系统，具有以下有益效果中的至少之一：

1、通过在元器件表面(例如，柱面镜)制备微结构或另外添加一个微结构器件，可在实现对光束的发散角进行控制的同时，还不影响光束的均匀性；

2、可根据显示屏(例如，LCD屏)放置位置的距离不同的实际需求，通过调整水平方向和竖直方向上光束发散角度的组合，使出射光束适配LCD屏幕，并且不影响系统的光效与体积；

3、对于不同尺寸的LCD屏幕，仅需要对微结构面形进行设计，即可满足背光要求，其余的光学元器件不用重新设计，从而降低设计、制造成本。

4、将TIR透镜、微阵列透镜、反光镜和柱面镜进行有效整合，能够提高背光光效与均匀度，并且可通过增加TIR透镜的数量，使到达LCD屏幕的光线增加，从而可实现更高亮度的背光需求。

附图说明

通过参照以下附图所作出的详细描述，本申请的实施方式的以上及其它优点将变得显而易见，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。不同附图中的相同或相似的元件用相同的附图标记来表示，在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例1的照明系统的示意性结构图；以及

图2示出了根据本申请的实施例2的照明系统的示意性结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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他的附图。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。

在说明书全文中，相同的标号指代相同的元件。如本文中使用的，用语“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

除非另外限定，否则本文中使用的所有用语(包括技术用语和科学用语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，用语(例如在常用词典中定义的用语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且将不被以理想化或过度正式意义解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

在实施方式中，照明系统可包括用于发出光束的光源模块、用于调整光线传输性质的光线调整机构和用于显示图像的显示模块。在照明系统中，光源模块、光线调整机构、显示模块沿着光束传播的光路依序设置。

光源模块通常采用LED光源。但是，本申请不限于此，在不偏离本发明的范围的情况下，可根据实际生产和具体实施的需要，采用照明系统领域中合适的其他照明光源。

光线调整机构通常可包括准直透镜、中继透镜和柱面镜的组合。光线调整机构对光源模块发出的光束进行调整整形，使经过的光束整形为均匀的光束。具体地，准直透镜可对入射的光束进行准直并输出；中继透镜可对入射的光束进行整形、均匀化并输出；以及柱面镜可对入射的光束进行收束并输出。其中，准直透镜可采用全内反射TIR透镜等，中继透镜可采用微阵列透镜等。可选地，光线调整机构还可包括反射镜，该反射镜沿着光束的光路设置在中继透镜与柱面镜之间，以使从中继透镜出射的光束改变传播方向入射至柱面镜。反射镜的使用可改变光线传输的方向，有效减小照明系统的物理总长。应理解的是，光线调整机构不限于以上所述透镜的组合，只要能够实现将所经过的光束整形为均匀的出射光束的镜片即可。

微结构通常设置在光线调整机构之后，接收光束并根据需要调整出射的光束的发散角度，以使光束更好的适配显示屏。微结构例如为一种不均匀分布的微透镜阵列，通过优化表面微透镜的曲率控制出射光束的方向，进而整体上达到控制发散角的目的。另外，微结构表面不同区域微透镜的密度、微透镜的形状、微透镜的尺寸的调整可实现对光线均匀度的控制。微结构可在柱面镜的、朝向显示模块的表面制备形成，与柱面镜为一体。可替代地，微结构还可分离地设置在柱面镜与显示模块之间。微结构可在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。进一步地，微结构可在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

显示模块通常为常见的TFT LCD显示器。由于，LCD显示器本身是不发光的，LCD上的图像需要借助照明来将图像显示出来。光源模块发出的光束经过准直，整形、均匀化与出射角度调整之后，到达显示模块，使显示器件上的图像显示出来。

以下将参照图1和图2具体描述根据本申请的照明系统的具体实施方式。

实施例1

参照图1具体描述根据本申请的具体实施例1的照明系统110。图1示出了根据本申请的实施例1的照明系统110的示意性结构图。

如图1所示，该照明系统110包括：LED光源10、TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40、柱面镜50、TFT显示屏幕60和微结构70。其中，TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40、柱面镜50共同构成照明系统110的光线调整机构。

由LED光源10发出的光束，首先经过TIR透镜20进行准直后，然后经过微阵列透镜30进行整形和均匀化，再经过反射镜40反射至柱透镜50，柱透镜50对光束进行收束，之后，光束进入微结构70中进行出射发散角度的调整，最终投向TFT LCD屏幕。如图1中所示，左侧的虚线框示出了背光照明模式，LCD屏幕上的图像经由背光照亮从而显示给用户。

然而，光线调整机构不限于上文描述的TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40和柱面镜50的组合，只要能够实现相同的技术效果，光线调整机构还可根据需要采用其它的透镜组合。例如，根据光束的传播走势，照明系统可能不需要使用反射镜来改变光束的方向。应理解，用作准直透镜的TIR透镜的数量包括但不限于图中所示的数量，可根据需要增加TIR透镜的数量，使到达LCD屏幕的光线增加，从而实现更高亮度的背光需求。还应理解，反射镜40包括但不限于平面反射镜，亦包括其他面型结构的反射镜，诸如自由曲面反射镜。

根据本实施例1的照明系统110通过在柱面镜50的、朝向显示模块60的侧部制备形成并与柱面镜50为一体的微结构70，实现对出射光束的发散角度的调整，使光束更好的适配显示屏幕60，提高光效。微结构70例如为一种不均匀分布的微透镜阵列，通过优化表面微透镜的曲率控制出射光束的方向，进而整体上达到控制发散角的目的。微结构70的详细结构示出在图1的下部分中。微结构70可在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。进一步地或可替代地，微结构70还可在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

在实际应用中，可根据实际需求中LCD屏幕的尺寸以及放置的距离，调整光束的发散角度以适配TFT LCD屏幕。例如，当TFT LCD屏幕尺寸固定不变时，放置位置的距离不同也会导致屏幕不能被均匀照亮，根据本申请的照明系统110可通过微结构70将光束的发散角度调小来适配距离较远的TFT LCD屏幕，也可通过将发散角度调大来适配距离较近的TFTLCD屏幕。同时，该微结构70由于在柱面镜50的、朝向显示模块60的表面制备形成并与柱面镜50为一体，因此不会影响均匀度，且不会增加系统的体积。

实施例2

参照图2具体描述根据本申请的具体实施例2的照明系统120。图2是示出根据本申请的实施例2的照明系统120的示意性结构图。

如图2所示，该照明系统120包括：LED光源10、TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40、柱面镜50、TFT显示屏幕60和微结构器件70。其中，TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40、柱面镜50共同构成照明系统110的光线调整机构。

由LED光源10发出的光束，首先经过TIR透镜20进行准直后，然后经过微阵列透镜30进行整形和均匀化，再经过反射镜40反射至柱透镜50，柱透镜50对光束进行收束，之后，光束进入微结构器件70中进行出射发散角度的调整，最终投向TFT LCD屏幕。

然而，光线调整机构不限于上文描述的TIR透镜20、微阵列透镜30、反射镜40和柱面镜50的组合，只要能够实现相同的技术效果，光线调整机构还可根据需要采用其它的透镜组合。例如，根据光束的传播走势，照明系统可能不需要使用反射镜来改变光束的方向。应理解，用作准直透镜的TIR透镜的数量包括但不限于图中所示的数量，可根据需要增加TIR透镜的数量，使到达LCD屏幕的光线增加，从而实现更高亮度的背光需求。还应理解，反射镜40包括但不限于平面反射镜，亦包括其他面型结构的反射镜，诸如自由曲面反射镜。

根据本实施例2的照明系统110通过分离地设置在柱面镜50与显示模块60之间的微结构器件70，实现对出射光束的发散角度的调整，使光束更好的适配显示屏幕60，提高光效。微结构器件70例如为一种不均匀分布的微透镜阵列，通过优化表面微透镜的曲率控制出射光束的方向，进而整体上达到控制发散角的目的。微结构器件70可在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。进一步地或可替代地，微结构器件70还可在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

不同于实施例1，根据本申请实施例2的照明系统120的微结构器件70分离地设置在柱面镜50与显示模块60之间，即，在柱面镜50后，单独增加了一个微结构器件70，在这个微结构器件70表面上制备形成有微结构，器件70上的微结构可以对柱面镜50出射的光束进行调制，使光束的发散角发生变化，以适配多种尺寸的TFT LCD屏幕。添加该微结构器件不会使照明系统的体积有所增加，同时也不需要对其他元器件进行重新设计。

在实际应用中，可根据实际需求中LCD屏幕的尺寸以及放置的距离，调整光束的发散角度以适配TFT LCD屏幕。例如，当TFT LCD屏幕尺寸固定不变时，放置位置的距离不同也会导致屏幕不能被均匀照亮，根据本申请的照明系统110可通过微结构器件70将光束的发散角度调小来适配距离较远的TFT LCD屏幕，也可通过将发散角度调大来适配距离较近的TFT LCD屏幕。根据本实施例2的照明系统120，对于不同的照明背光需求，仅需要对微结构器件70进行重新设计，即可满足背光需求，既不会增加加工成本、也不会增加系统体积。

尽管上述实施例1和实施例2以TFT-PGU背光照明系统为示例进行了描述，但是应理解，根据本申请的照明系统不限于TFT-PGU背光照明系统，亦包括基于TFT-PGU的其他光学系统。

本申请另一方面提供了一种使用上述照明系统控制光束出射角度的照明方法，该照明方法包括以下步骤：

1)利用光源模块10发出用于照明的光束；

2)通过光线调整机构对光束进行整形并输出均匀的光束；

3)通过微结构70接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度；以及

4)经调整发散角度的光束出射至显示模块60，以进行照明。

其中，通过微结构70接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度包括在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。进一步地或替代地，通过微结构70接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度包括在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

根据上述各个实施方式，根据本申请的照明系统和照明方法可根据实际照明需求，灵活的设计角度调制器，以使光束适配LCD屏幕，既不影响照明光效，也不会增大系统体积。针对不同的照明需求，仅需要对微结构进行重新设计，即可满足实际照明需求，既不会增加加工成本，也不会增加系统体积，有利于降低设计、制造成本。此外，根据本申请的照明系统将TIR透镜、微阵列透镜、反光镜和柱面镜进行有效整合，能够有效提高背光光效与均匀度，并且可通过增加TIR透镜的数量，使到达LCD屏幕的光线增加，从而可实现更高亮度的背光需求。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (18)

1.照明系统，包括：

光源模块，发出用于照明的光束；

光线调整机构，沿着光束的光路设置在所述光源模块之后，对入射的光束进行整形并输出均匀的光束；

微结构，沿着光束的光路设置在所述光线调整机构之后，调整出射的光束的发散角度；以及

显示模块，接收从所述微结构出射的光束，以照亮显示图像。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，所述光线调整机构沿光束的光路依次包括：

准直透镜，对入射的光束进行准直并输出；

中继透镜，对入射的光束进行整形、均匀化并输出；以及

柱面镜，对入射的光束进行收束并输出。

3.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述光线调整机构还包括：

反射镜，沿着光束的光路设置在所述中继透镜与所述柱面镜之间，以使从所述中继透镜出射的光束改变传播方向入射至所述柱面镜。

4.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述微结构在所述柱面镜的、朝向所述显示模块的表面制备形成，与所述柱面镜为一体。

5.根据权利要求2所述的照明系统，其中，所述微结构分离地设置在所述柱面镜与所述显示模块之间。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的照明系统，其中，所述微结构在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的照明系统，其中，所述微结构在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的照明系统，其中，所述光源模块为LED光源。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的照明系统，其中，所述显示模块为TFT显示器。

10.根据权利要求2-5中任一项所述的照明系统，其中，所述准直透镜为全内反射TIR透镜。

11.根据权利要求2-5中任一项所述的照明系统，其中，所述中继透镜为微阵列透镜。

12.一种利用如权利要求1所述的照明系统控制光束出射角度的照明方法，所述照明方法包括：

利用光源模块发出用于照明的光束；

通过光线调整机构对所述光束进行整形并输出均匀的光束；

通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度；以及

经调整发散角度的光束出射至显示模块，以进行照明。

13.根据权利要求12所述的照明方法，其中，通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度包括：

在水平方向或竖直方向上分别调整出射的光束的发散角度。

14.根据权利要求12所述的照明方法，其中，通过微结构接收均匀的光束并调整出射的光束的发散角度包括：

在水平方向和竖直方向上同时调整出射的光束的发散角度。

15.根据权利要求12所述的照明方法，其中，所述光线调整机构沿光束的光路依次包括：

准直透镜，对入射的光束进行准直并输出；

中继透镜，对入射的光束进行整形、均匀化并输出；以及

柱面镜，对入射的光束进行收束并输出。

16.根据权利要求15所述的照明方法，其中，所述光线调整机构还包括：

反射镜，沿着光束的光路设置在所述中继透镜与所述柱面镜之间，以使从所述中继透镜出射的光束改变传播方向入射至所述柱面镜。

17.根据权利要求15或16所述的照明方法，其中，所述微结构在所述柱面镜的、朝向所述显示模块的表面制备形成，与所述柱面镜为一体。

18.根据权利要求15或16所述的照明方法，其中，所述微结构分离地设置在所述柱面镜与所述显示模块之间。

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