用于显示器，特别是平视显示器的投影系统以及相关的显示器的制作方法

本发明涉及投影系统，特别是用于平视显示器。特别地，本发明涉及用于机动车辆的投影系统和平视显示器。

背景技术：

已知为机动车辆配备称为平视显示器的显示系统。这样的系统放置在车辆的驾驶员的视野中，且其显示关于车辆的状态、交通、等等的一条或多条信息。

这种类型的用于机动车辆的平视显示器需要为用户，特别是车辆的驾驶员获得具有足够亮度的图像，以便根据天气条件和/或当前时间，在每种情况下都能够充分地看到图像。

在通过显示器来形成这种图像的可能的技术中，现有技术中最常用的技术是液晶屏幕技术，特别是薄膜晶体管液晶屏幕(tft-lcd)。为了显示图像，这些tft-lcd屏幕需要背光，所述背光是由光源，通常是由多个发光二极管(led)提供的。实际上，该tft-lcd屏幕和背光被包括在称为图像投影系统的组件中。

即便如此，这些tft-lcd屏幕具有实质上减少来自背光的照明功率的缺点：在使用经典的tft-lcd屏幕的情况下，据估计，屏幕的透射(transmission)水平约为背光的照明功率的5％。这样的低的值特别是由于存在于屏幕中的第一偏振器，其仅使得对应于特定偏振的光通过，而led产生具有若干偏振的光：因此，不对应于由偏振器使得通过的偏振的所有的偏振被损失。

因此，为了以足够的照明功率通过显示器来显示图像，必须使用具有显著的照明功率的背光，这是由于显示的图像将具有该背光功率的5％的量级的照明功率。这导致显著的能量消耗以及热形式的显著损失，这可能进一步劣化部件，从而需要使用大体积的散热器。

技术实现要素：

发明目的

本发明旨在缓解已知的投影系统和显示器的至少一些缺点。

特别地，在本发明的至少一个实施例中，本发明还旨在提供一种显示器，所述显示器能够以足够的照明功率显示图像。

在至少一个实施例中，本发明还旨在提供一种显示器和投影系统，所述显示器和投影系统允许使用具有减少的功率的背光，从而允许减少能量消耗和散热。

在本发明的至少一个实施例中，本发明还旨在提供一种具有减少的尺寸的显示器和投影系统。

在至少一个实施例中，本发明还旨在提供一种投影系统，所述投影系统包括有限数量的光学接口。

本发明的说明

为实现该目的，本发明涉及一种用于显示器，特别是平视显示器的投影系统，所述投影系统包括：

-液晶屏幕，

-用于所述屏幕的背光装置，

其特征在于，所述背光装置包括：

-至少一个光源，其在所述屏幕的方向上发射光，

-至少一个透镜，其适于使来自所述光源的光在所述液晶屏幕的方向上准直，

-反射结构，其设置在所述透镜的位于与所述光源一侧的面上，其设计为使得所述光在所述屏幕的方向上通过，并将几乎所有的在所述透镜的方向上传播的光朝向所述屏幕反射。

因此，根据本发明的投影系统使得由背光装置的光源发射的光能够由于一部分的光在光源方向上的反射而被再循环，这种反射是由光通过放置在光源和屏幕之间的各种元件、以及由屏幕本身引起的。这些元件的组件被称为光学系统。这部分光再次通过光学系统，然后在设置在光源和屏幕之间的反射结构处反射，以便在屏幕的方向上被发送回来。光学系统和反射结构产生光的被反射的部分的特性的改变。通过在屏幕的方向上再次通过光学系统，该光将部分地朝向屏幕透射，且部分地在支撑板的方向上反射回来。在透镜(一个或多个)上的反射结构(一个或多个)的布置使得可以不在光学系统中添加补充元件，这允许减少成本以及允许使由反射结构反射的光通过的光学系统的元件的数量的限制，所述元件自身为可能产生杂散反射的光学接口，限制所述杂散发射是重要的。

有益地且根据本发明，反射结构具有大于90％的反射系数，优选大于98％。优选地，由于反射结构获得的反射是镜面类型的，即是说，照射在反射结构上的光线在反射之后产生单个反射光线。

有益地且根据本发明，光源是发光二极管。

发光二极管具有减小的尺寸，且能够发射允许屏幕的良好的照明的方向性的光。

有益地且根据本发明，装置包括多个光源。

有益地且根据本发明，装置包括多个透镜，其形成由支撑结构连接的透镜的至少一个阵列。

有益地且根据本发明，多个透镜和支撑结构由相同的材料形成，例如通过模制。

根据本发明的该方面，透镜阵列的制造变得容易，并且减少了系统中的部件数量。

有益地且根据本发明，每个透镜阵列包括等于投影系统的光源的数量的多个透镜。

根据本发明的该方面，多个透镜的存在使得能够更有效地准直来自光源的光。

有益地，装置包括多个透镜阵列，允许更好地准直来自光源的光。在这种情况下，反射结构仅设置在最靠近光源的透镜阵列的透镜上。

有益地且根据本发明，反射结构同样地设置在连接透镜的支撑结构上。

根据本发明的该方面，由反射结构覆盖的表面更大，且允许将几乎所有的光朝向透镜反射。

有益地且根据本发明，反射结构是设置在透镜上的反射涂层。

有益地且根据本发明，反射结构是金属涂层。有益地，金属涂层具有光滑的表面，所述光滑的表面允许镜面类型的反射，以及显著水平的反射，这改善了背光装置的性能。

有益地且根据本发明的不同实施例，涂层例如通过胶粘剂、或者当所述涂层是金属的时，通过真空金属喷镀(metallization)来结合到透镜上。

有益地且根据本发明的该后一方面，金属涂层是铝。

根据本发明的该方面，铝提供了良好的反射性和良好的散热性。通过沉积二氧化硅(sio2)或二氧化钛(tio2)，铝涂层可以有益地被保护，特别地防止外部水分。

有益地且根据本发明，背光装置包括用于使由光源发射的光再循环的至少一个滤光器，其位于光源和屏幕之间，确保一些光朝向屏幕的透射，以及不朝向光源传输的光的返回。

根据本发明的该方面，再循环滤光器允许在光源的方向上发送回来一些光。有益地，这部分的反射光是其特性不符合优质背光所需的特性的光，特别是因为这部分光将在液晶屏幕的区域中损失。然后，这部分的光在屏幕的方向上在反射结构处被反射。这种反射以及通过光学系统的不同元件的通过能够改变返回到再循环滤光器的光的特性。

有益地且根据本发明，至少一个光再循环滤光器是偏振滤光器，其适于使到达偏振滤光器的具有特定偏振的光通过，并适于反射到达偏振滤光器的具有与所述特定偏振不同的偏振的光。

根据本发明的该方面，由于屏幕中的偏振器的存在，液晶屏幕仅使得具有特定偏振的光通过，且从而偏振滤光器能够反射其偏振与该特定偏振不同的光的部分。通常在液晶屏幕的区域中损失的光从而被朝向反射结构反射。反射结构和光学系统使得能够改变反射光的偏振，并且在屏幕的方向上反射的该光再次被偏振滤光器滤光。

有益地且根据本发明，至少一个光再循环滤光器是棱镜式滤光器，其适于使到达棱镜式滤光器的具有小于预定角度的入射角且在给定平面中的光通过，并适于反射光的剩余部分。

根据本发明的该方面，棱镜式滤光器仅使在给定平面中基本上垂直于滤光器到达的光通过，以便减少在液晶屏幕的方向上的光的发散。由棱镜式滤光器反射的光再次在反射结构处反射，并返回到棱镜式滤光器，并且到达滤光器的具有小于预定角度的入射角的该反射光中的一些通过滤光器，且另一部分再次被反射。

有益地且根据本发明，背光装置包括至少两个棱镜式滤光器，每一个滤光器在平面中根据光的入射进行滤光，且设置为使得它们在其中对入射滤光的平面基本上垂直。

根据本发明的该方面，在与第一滤光器不同的给定平面中添加第二滤光器允许对光的更大部分的滤光。

有益地且根据本发明，背光装置包括漫射器，其适于使来自光源的光均质化。

根据本发明的该方面，光的均质化使得能够在液晶屏幕上实现良好的光分布。漫射器还使得能够遮蔽背光装置的内部。

有益地且根据本发明，液晶屏幕相对于再循环滤光器(一个或多个)以预定角度倾斜。

根据本发明的该方面，在使用在平视显示器中的投影系统的情景下，预定角度使得可以获得竖直的虚拟图像。

有益地且根据本发明，装置包括盒，所述盒围绕装置在光源和屏幕之间的空间，且所述盒的内壁是反射的。

根据本发明的该方面，盒使得能够在一个方向或另一方向上反射不在光源和液晶屏幕之间的直线上传播的光：通过使该光在光源和液晶屏幕之间的空间中单独地传播，盒允许该光不被损失。

有益地且根据本发明，系统依次地且按照此顺序在光源和屏幕之间包括：

-透镜阵列，

-漫射器，

-棱镜式滤光器(一个或多个)，

-偏振滤光器。

本发明同样涉及显示器，特别是平视显示器，其包括根据本发明的图像投影系统。

本发明同样涉及投影系统和显示器，其以上述或下述所有的或某些特性的组合为特征。

附图说明

在熟读仅以非限制性方式提供以下描述并参考附图的情况下，将呈现本发明的其他目的、特定和优点，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的投影系统的截面的示意图，

-图2是根据本发明的一个实施例的投影系统的截面图的详细示意图，

-图3是根据本发明的图像投影系统和平视显示器的示意图。

具体实施方式

以下实施例是示例。尽管描述参考了一个或多个实施例，但这并不一定意味着每个标记涉及相同的实施例，或者该特性仅适用于单个实施例。同样，也可以组合不同实施例的单个特性以便产生其他实施例。

图1表示根据本发明的一个实施例的图像投影系统10的截面的示意图。

投影系统10包括液晶屏幕(这里是薄膜晶体管液晶屏幕12)以及背光装置14。薄膜晶体管液晶屏幕12(tft-lcd)允许由投影系统10形成图像。

背光装置14具有向屏幕12提供形成图像所需的光的功能。为此，背光装置14特别地包括至少一个光源。例如，在该实施例中，光源由放置在支撑板上的至少一个且优选地一组发光二极管(led)16组成，这里数量为两个。在该实施例中，支撑板由印刷电路(pcb)18形成。使用的印刷电路可以例如是fr4型(耐燃4)或ims(绝缘金属基板)型。使用ims电路特别地使能够更好地散热。印刷电路18能够实现用于led16的物理支撑和电连接(到电源和任何其他电子部件的电连接，未示出)。放置led16以便在屏幕12的方向上发射光。屏幕12以预定角度倾斜，优选在0°和40°之间，以便在使用在平视显示器中的投影系统的情景下，获得竖直的虚拟图像。

处于屏幕12和led16之间的是用于光的处理和/或滤光的各种元件，以便优化背光，其总体上被称为光学系统。在图1呈现的实施例中，这些元件(这些元件作为背光装置14的一部分，且来自led16的光在屏幕12的方向上依次地通过这些元件)是：

-至少一个透镜，并且优选地如本实施例中使用的透镜的阵列20，其允许准直来自led16的光，以在如果部分的光不朝向屏幕12指向时限制照明功率的损失。通常，透镜的阵列20包括每个led16一个透镜，每个透镜设置在每个led16的顶部上。透镜的阵列20的透镜通过支撑结构互连。

-漫射器22，其能够使得光均质化，以便以均质的方式照明屏幕12，从而允许形成优质的图像，即是说，具有基本上均匀亮度的图像。此外，漫射器22允许遮蔽背光装置的内部。

-一个或多个再循环滤光器，以标记24分组在一起，例如：

-两个相交的棱镜式滤光器，其使得到达棱镜式滤光器的具有小于预定角度的入射角且在垂直于棱镜式滤光器的平面的给定平面中的光通过。到达棱镜式滤光器的具有大于预定角度的入射角且在不同于给定平面的平面中的光束将会被更加地反射，因为光束的入射的所述平面不同于给定平面。因此，使用两个相交的棱镜式滤光器，特别是在基本上垂直的平面中滤光的滤光器，使得可以过滤光束的主要部分，从而到达滤光器的在具有等于预定角度的角度的入射的椎之外的光束将被反射。这里，棱镜式滤光器是聚合物材料的薄膜，所述聚合物材料的薄膜由在沿着垂直于给定平面的线在棱镜式滤光器的平面中对准的多个微棱镜组成。这种类型的薄膜例如由3m公司以名称bef(亮度增强薄膜)来销售。

-偏振滤光器，其使得到达偏振滤光器的具有特定偏振的光通过，并适于反射到达偏振滤光器的具有不同偏振的光。由于由led16发射的光是非偏振光，所以仅该光的具有与该特定偏振共线的偏振的部分将通过偏振滤光器，其余的光被反射。这里，偏振滤光器是聚合物材料的薄膜。这种类型的滤光器例如由3m公司以名称dbef(双亮度增强薄膜)来销售。

因此，不同的再循环滤光器24使得可以例如通过反射不具有特定偏振的光，来反射已经在屏幕12自身的区域中(由于其内部部件，特别是直线偏振器)被滤光的光，或反射在过宽的照明的锥中传播的光。光的在印刷电路的方向上由再循环滤光器或滤光器反射的这部分在下文中称为再循环光。

为了不损失该再循环光，投影系统10包括反射结构26，这里所述反射结构26设置在透镜阵列的位于与光源一侧的面上，且设计为使得光在屏幕的方向上通过，并朝向屏幕反射几乎所有的再循环光，所述再循环光然后再次朝向屏幕12传播。反射结构26在这里由用于透镜阵列的轮廓的虚线表示，且将参考图2详细地说明。

为了使光从透镜的阵列20传播到屏幕12或者从屏幕12传播到透镜的阵列20以保持在背光装置14中，在其中包含的印刷电路18和屏幕12之间的空间被盒28包围，其通常称为光盒，特别是在汽车领域中。为了防止盒28中的照明功率通过光吸收而损失，盒28由诸如聚碳酸酯(pc)的反射材料制成。为了最佳的光反射，盒28应当具有非常平坦的抛光表面。

该反射结构26、光学系统和盒28，由于光在其相应的表面上或通过其相应的表面的反射，使得可以改变再循环光的特性，特别是其偏振和其传播的方向。因此，由反射结构26反射并在屏幕12的方向上传播的再循环光具有不同的偏振和关于再循环滤光器(一个或多个)的不同的入射角，因此，如果这些特性允许光通过再循环滤光器(一个或多个)24，则其可以通过再循环滤光器(一个或多个)24。如果光依然不具有穿过再循环滤光器(一个或多个)所需的特性，则光再次被再循环，并且重复先前描述的循环。

该循环在图1由箭头30、31、32、34、36、37表示。led16发射非偏振光。两个箭头30、31表示该偏振光的两个部分，具有相应的偏振p1和p2。偏振滤光器使得光的偏振等于p1的部分通过。因此，光的具有偏转p1的部分通过偏振滤光器，并且朝向屏幕12在在由箭头32表示的方向上指向，且光的具有偏振p2的部分被再循环，即是说，被朝向印刷电路18反射，如箭头34所表示。再循环光34的该部分在屏幕12上的方向上在反射结构26处被反射，且该反射光的部分具有现在等于p1的改变的偏振，如箭头36所表示。因此，反射光26的具有偏振p1该部分在再循环和反射之后穿过偏振滤光器，如箭头37所表示。由于棱镜式滤光器，相同的现象根据光的入射角以类似的方式发生。

图2示意性地示出了根据本发明的一个实施例的背光装置的更详细的视图。背光装置包括led16、透镜的第一阵列38、以及例如透镜的第二阵列40。在该示例中，发光装置包括两个led16，且透镜的每个阵列包括两个透镜38a、38b、40a、40b，每个透镜设置在led16的顶部上。由led发射的光依次地通过透镜的两个阵列38、40，并且如图可见，通过在这些光线通过透镜阵列的透镜时这些光线42的连续调整，透镜的两个阵列38、40使得可以使光线42准直。

led16布置在印刷电路18上，且透镜的第一阵列38设置在距印刷电路18一定距离处，优选在0.1mm和若干毫米之间。例如，透镜的第一阵列38设置在距印刷电路板18大约一个毫米处，以便在在发光时由led16产生的热的改善的消散与透镜的第一阵列38的透镜38a、38b的光学性能之间做出折衷。

透镜的第一阵列38的透镜38a、38b通过透镜的支撑结构44来连接，这进一步使得可以将透镜在背光装置中保持到位，例如被接合到参考图1所述的盒28。这些支撑结构44可以例如由与透镜相同的材料制成，并且在透镜阵列的模制期间与透镜同时制造。支撑结构44也可以单独地制造和/或由不同的材料制成，并通过组装工艺接收透镜阵列的透镜。替代地，透镜阵列的透镜具有足够大的尺寸来接触，而不在它们之间留下空间。透镜的支撑结构然后被缩减到透镜之间的接触的表面，并将透镜在背光装置中保持到位。透镜的第二阵列40是其中透镜接触的这种阵列的示例。

在该实施例中，反射结构26设置在透镜38a、38b的位于与led一侧的面上，以及在支撑结构44的表面上。为了最大化再循环光朝向屏幕的反射，透镜38a、38b的最大可能表面和透镜的支撑结构44的最大可能表面被反射结构26覆盖。如图2所示，反射结构26覆盖透镜的第一阵列38的位于与led16一侧的整个表面，除了在每个透镜38a、38b中的允许来自与透镜相对的led的光通过透镜38a、38b的孔46a、46b以外。该孔46a、46b的尺寸取决于led16与透镜的第一阵列38之间的距离，以及取决于led16的发光的孔径角。例如，当印刷电路18与第一透镜阵列38之间的距离为大约一个毫米时，孔46a、46b可以具有大约两个毫米的直径。入射到反射结构26上的再循环光34从而被反射以形成朝向屏幕指向的反射光36。

反射结构例如是通过结合在透镜阵列上来设置。替代地，如果反射结构由金属涂层组成，该金属涂层例如通过金属喷镀来设置在透镜阵列上，例如在真空中。用于金属涂层的金属例如是铝，其使得能够良好地反射再循环光，并允许良好的散热。

根据本发明的其它实施例，支撑结构44可以由不同于透镜的不透明材料制成。在这种情况下，为了使能够反射再循环光，如图2所示，反射结构26b设置在支撑结构44的与屏幕一侧的表面上。

如图3所示，本发明还涉及包括根据本发明的图像投影系统10的平视显示器。

参考图1描述的投影系统10在tft-lcd屏幕12的帮助下形成图像。

在光束的位移的方向上从屏幕12的下游，所述显示器包括至少一个半反射板126和插设在屏幕12与半反射板126之间的图像的路径中的反射装置125，反射装置125包括一个或多个平面或凹面镜，如图3所示。在该图中，通过三个虚线箭头30来表示图像的路径，其在通过半反射板126显示之前在反射装置125处被反射。后者通过透明度允许超出半反射板显示图像，且可选地，允许所述图像的放大，特别是超出如此配备的车辆的风挡，在半反射板126的帮助下产生的，在虚拟屏幕130的区域中的所述图像的放大。

该板126具有至少等于20％的反射功率，其允许用户通过板看到车辆所行驶的道路，同时具有提高的对比度，允许用户能够看到所显示的图像。作为替代，图像的显示可能发生在配备有所述显示器的车辆的风挡的区域中。

本发明不仅限于所述实施例。特别地，led16的数量可以根据被照明的屏幕的表面、每个led的照明功率等而变化。