背光模块及抬头显示器的制作方法

本发明涉及一种背光模块及抬头显示器。

背景技术：

随着用于交通工具的电子零件需求的逐年攀高，各种用于交通工具上的显示设备已相继地被研发。传统的显示设备通常装设于车辆的仪表板上。然而，驾驶者低头观看装设于仪表板上的显示设备时容易造成行车安全的顾虑，因此，可将影像投射于挡风玻璃上的抬头显示器(headupdisplay，hud)被广泛地使用在汽车装置中。抬头的意思是指使用者不需要低头就能够看到他需要的重要信息。

然而，现有的抬头显示器常遇到对比度不佳、当外界光线过强时，显示的影像可视性变差等问题，使得驾驶无法清晰的看到投射到前挡风玻璃的图像，造成交通安全上的疑虑。现有有利用提升背光源的亮度的方式来解决上述技术问题，但高强度的光源需要额外的能量，使得操作成本上升并且沿伸出背光源散热的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种背光模块及抬头显示器，显示效果佳，可满足低耗能、轻薄、高亮度的需求，并提升显示器的对比度与解决阳光下可视性(sunlightreadable)的问题。

根据本发明的实施例，背光模块提供光束照射透光元件，背光模块包括底板与多个发光源。底板配置于透光元件下方。多个发光源于底板朝向透光元件的表面上成阵列排列，用以提供光束，其中，底板与透光元件在光轴方向上的间距是根据光束投射在透光元件的总光照度分布以及多个发光源在表面的排列位置来决定。

在根据本发明的实施例的背光模块中，间距是根据下式来决定：

且

其中，eblu(x,y,z)为总光照度分布，多个发光源在表面上的几何中心或多个发光源的排列单元的几何中心为坐标原点，z为第一方向上的坐标，x为第二方向上的坐标，y为第三方向上的坐标，其中第一方向为垂直表面的方向，第二方向与第三方向为平行表面且彼此垂直的两个方向。

在根据本发明的实施例的背光模块中，多个发光源在表面上成正方形阵列排列，相邻的发光源的最小距离d以及底板与透光元件在光轴方向上的间距l的关系满足下式：

其中，m为发光源的指向性阶数。

在根据本发明的实施例的背光模块中，多个发光源在表面上成正方形阵列排列，相邻的发光源的最小距离d以及底板与透光元件在光轴方向上的间距l的关系满足下式：

其中，各发光源为朗伯特(lambertian)光源。

在根据本发明的实施例的背光模块中，背光模块还包括扩散片，扩散片为透光元件。

在根据本发明的实施例的背光模块中，透光元件为显示面板。

根据本发明的实施例，抬头显示器包括显示面板、背光模块与光学片。显示面板配置于光束的传递路径上，用以显示图像，且光束穿透显示面板以形成图像光束。背光模块用以提供光束照射显示面板，包括：底板、扩散片与多个发光源。底板配置于显示面板下方。扩散片配置于光束的传递路径上，且位于底板与显示面板之间。多个发光源于底板的表面上成阵列排列，用以发射光束，其中底板与扩散片在光轴方向上的间距是根据光束投射在扩散片的总光照度分布以及多个发光源在表面的排列位置来决定。光学片配置于图像光束的传递路径上，且图像光束被光学片反射至用户的眼睛。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，间距是根据下式来决定：

且

其中，eblu(x,y,z)为总光照度分布，多个发光源在表面上的几何中心或多个发光源的排列单元的几何中心为坐标原点，z为第一方向上的坐标，x为第二方向上的坐标，y为第三方向上的坐标，其中第一方向为垂直表面的方向，第二方向与第三方向为平行表面且彼此垂直的两个方向。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，多个发光源成正方形阵列排列，相邻的发光源的最小距离d与底板与扩散片在光轴方向上的间距l的关系满足下式：

其中，m为发光源的指向性阶数。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，多个发光源成正方形阵列排列，相邻的发光源的最小距离d与底板与扩散片在光轴方向上的间距l的关系满足下式：

其中，各发光源为朗伯特(lambertian)光源。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，抬头显示器还包括调光装置与背光亮度控制电路。调光装置用以接收图像数据且对应于多个发光源的位置或数量而将图像数据切割成多个图像区块，并且依据每个图像区块的图像特征来产生多个发光源的背光亮度设定值。背光亮度控制电路耦接多个发光源与调光装置，从调光装置接收背光亮度设定值，用以根据背光亮度设定值分别调整各发光源的发光强度。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，调光装置是根据每一图像区块中像素的亮度值来决定对应的发光源的背光亮度设定值。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，抬头显示器还包括光感测元件，光感测元件用以感测环境以产生环境光特征，耦接背光亮度控制电路，其中背光亮度控制电路根据来自光感测元件的环境光特征来调整多个发光源的发光强度。

在根据本发明的实施例的抬头显示器中，光学片的材料包括玻璃、前挡风玻璃、光学膜玻璃(opticalfilmglass)或是金属化薄膜玻璃(metalizedfilmglass)。

根据本发明的实施例，抬头显示器包括显示面板、背光模块与光学片。显示面板配置于光束的传递路径上，用以显示图像，且光束穿透显示面板以形成图像光束。背光模块用以提供光束照射显示面板，背光模块包括底板与多个发光源。底板配置于显示面板下方。多个发光源于底板的表面上成阵列排列，用以发射光束，其中底板与显示面板在光轴方向上的间距是根据光束投射在显示面板的总光照度分布以及多个发光源在表面的排列位置来决定。光学片配置于图像光束的传递路径上，且图像光束被光学片反射至用户的眼睛。

附图说明

图1为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。

图2为本发明一实施例的背光模块的侧视示意图。

图3为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。

图4为本发明一实施例的多个发光源的照度分布示意图。

图5a至图5c为本发明一实施例的正方形单元阵列的发光源在不同条件下的照度分布示意图。

图6为本发明一实施例的投影单元的方块示意图。

图7为本发明一实施例的图像数据的示意图。

图8为本发明一实施例的背光模块的背光亮度设定值的分布图。

图9为本发明一实施例的背光模块的背光照度分布图。

图10为本发明一实施例的显示面板的图像数值补偿结果示意图。

图11为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。

附图标号说明

10、30、70：抬头显示器；

100、500、700：投影单元；

110、310、710：背光模块；

112：底板；

114：发光源；

116：透光元件；

118：散热片；

120：显示面板；

200：光学片；

210：眼睛；

510：调光装置；

512：图像接收端；

520：背光亮度控制电路；

530：光感测装置；

540：调光处理单元；

550：储存装置；

552：图像区块分割模块；

554：亮度设定模块；

556：滤波模块；

558：背光像素补偿模块；

bls：背光亮度设定值；

eblu(x,y,z)：总光照度分布；

d：边长；

dopt：优化边长；

dp：扩散片；

es：感测结果；

i：图像光束；

im：图像数据；

imc：图像数值补偿结果；

l、l’：间距；

lb：光束；

s：表面；

oa：光轴；

x、y、z：方向。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。为清楚表达起见，附图中标有xyz直角坐标系，其中方向x、方向y及方向z互相垂直。

请参照图1，抬头显示器10包括投影单元100及光学片200。投影单元100包括背光模块110与显示面板120。背光模块110提供光束lb以照显示面板120，显示面板120用以显示影像且配置于光束lb的传递路径上，光束lb穿透显示面板120以形成图像光束i。投影单元100输出图像光束i，光学片200配置于图像光束i的传递路径上，且将图像光束i反射至使用者的眼睛210，以让使用者观看。

在本实施例中，背光模块110用以提供均匀面光源，可以是直下式(direct-typebacklight)背光模块。在本实施例中，显示面板120可以是非自发光的显示面板，例如：各种模式的液晶显示面板，包括扭转向列(twistednematic，tn)、超级扭转向列(supertwistednematic，stn)、垂直排列(verticalalignment，va)、面内切换(in-planeswitching，ips)、边缘场切换(fringefieldswitching，ffs)或其它适当模式。光学片200的材料包括玻璃、前挡风玻璃、光学膜玻璃(opticalfilmglass)或是金属化薄膜玻璃(metalizedfilmglass)等等。

图2为本发明一实施例的背光模块的侧视示意图。请参照图2，背光模块110包括底板112与多个发光源114。背光模块110提供光束照射透光元件116。底板112配置于一个透光元件116下方，上述多个发光源114于底板112朝向透光元件116的表面s上成阵列排列，用以发射光束lb。图中的发光源114的数量仅作为示意，不用以限制本发明。

在本实施例中，光束lb从多个发光源114传递至透光元件116，并穿透透光元件116以作为光源，例如照射光源或图像光源。底板112与透光元件116在光轴oa方向上的间距l是根据多个发光源114投射在透光元件116的总光照度分布以及多个发光源114在所述表面的排列位置(例如排列周期或排列图案)来决定，详细来说，通过调整间距l以及多个发光源114的排列位置，可以使光束lb投射在透光元件116的亮度均匀度(uniformity)为优化，因此本实施例的背光模块110不需要额外的光学透镜与复杂的光均匀元件就可以提供具有亮度一致性的照射光源，可满足轻薄与高亮度的需求。

图3为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。抬头显示器30的背光模块310中的扩散片dp是图2的透光元件116，且还包括及散热片118。在本实施例中，背光模块310使用扩散片dp加强均匀度，以提供具有高均匀度的面光源，用来照射图1的显示面板120以形成图像光束i。

以下的实施例将进一步阐述背光模块的实施方式。

在本实施例中，发光源114例如是发光二极管，每一发光源114的一般光强度分布形式如下面方程式(1)所示：

iled(θ)＝i0·cos^m(θ)(1)

其中，i0为单位发光强度，为光源的指向性阶数，数值愈大表示选用的发光二极管具有越高的指向性，当m＝1的时候，表示为朗伯特(lambertian)光源。

通过方程式(1)，可推估单颗发光源114在扩散片dp上的照度分布eled(x,y,z)，如下面方程式(2)所示：

其中，可以选择这些发光源114在表面s上的几何中心或阵列的排列单元(如图3的正方形单元)的几何中心为坐标原点，其中，这些发光源114是以排列单元的形式在表面s排成阵列，在此，选择这些发光源114在表面上s的几何中心作为坐标原点，z方向为垂直表面s的方向且为光轴oa方向同向，x方向与y方向为平行表面s且彼此垂直的两个方向，x、y与z分别是x、y与z方向上的坐标，并且x0与y0是单颗发光源114在表面s上的坐标。

图4为本发明一实施例的多个发光源的照度分布示意图。请参照图3与图4，根据重叠定理(superposition)，背光模块310中的多个发光源114(假设共为n颗)在扩散片dp上的总光照度分布eblu(x,y,z)如下面方程式(3)所示：

接着，可以利用优化算法对方程式(3)求解以获得满足亮度均匀度优化的条件，举例来说，可在表面s上选择一个观测点来对方程式(3)作二次偏微分，当满足下面方程式(4)时即可获得最佳背光亮度的均一性条件，但是本发明并不限制对于计算背光亮度均匀度优化条件的演算方法。

且

在本实施例中，多个发光源114在表面s上是以正方形阵列排列(即排列单元为正方形)，最小正方形单元的边长为d(即相邻的发光源114之间的最小距离)，因此方程式(4)可被简化为方程式(5)，相邻的发光源114的最小距离d以及底板112与扩散片dp在光轴oa方向上的间距l的关系满足下面方程式(5)时，背光模块310具有最佳背光亮度的均匀性：

尽一步来说，当每个发光源114为朗伯特(lambertian)光源时，表示指向性阶数m＝1，满足下面方程式(6)时，背光模块110具有最佳背光亮度的均匀性的条件：

图5a至图5c为本发明一实施例的正方形单元阵列的发光源在不同条件下的照度分布示意图。图5a至图5c分别显示了在固定间距l的条件下，四颗发光源114排成三种不同边长d的正方形后，照射在扩散片dp的照度分布结果，由左至右分别显示照度分布的三维图、照度分布的二维图以及在扩散片dp表面上分别沿x方向与y方向的照度剖面图，在本实施例中，发光源114是朗伯特光源。图5a显示当正方形单元边长d大于优化边长dopt的结果，图5b显示当正方形单元边长d等于优化边长dopt的结果(即满足方程式(6))，图5c显示当正方形单元边长d小于优化边长dopt的结果。由上述结果可知，通过决定间距l以及发光源114在表面s上的排列位置可以控制背光亮度的均匀性，且当满足方程式(6)时，背光亮度具有高均匀性，另外使用薄形扩散片dp进行均匀补强，因此抬头显示器30不会因为发光源114的摆置过度拥挤而产生热源堆栈散热不易的问题，并且此背光模块310的架构简单，能够满足装置轻薄化的要求。

特别说明的是，在其他的实施例中，多个发光源114可以是三角形、菱形、六角形周期排列等等，本发明对于发光源排列图形并不佳以限制。

图6为本发明一实施例的投影单元的方块示意图。请参照图6，本实施例的投影单元500可适用于上述的实施例的投影单元100，投影单元500除了具有上述的具有背光均匀度优化的背光模块结构设计，还具有全阵列区域调光(localdimming)的技术手段，可以有效降低抬头显示器的耗能与散热问题，以及提升显示质量。

投影单元500包括背光模块110、显示面板120、调光装置510与背光亮度控制电路520，其中调光装置510包括调光处理单元540与储存装置550。

储存装置550例如是随机存取内存(randomaccessmemory，ram)、只读存储器(read-onlymemory，rom)、闪存(flashmemory)、硬盘或类似元件或上述元件的组合，但不限制，其中内含图像区块分割模块552、亮度设定模块554、滤波模块556以及背光像素补偿模块558的程序，而可由调光处理单元540加载并执行。

调光处理单元540例如是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、可程序化控制器、特殊应用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，asic)或其它类似装置或这些装置的组合，但不限制，其系连接显示面板120、背光亮度控制电路520与储存装置550，而可加载并执行储存装置550中储存的模块，以实施本发明实施例所述的全阵列区域调光(localdimming)。

图7为本发明一实施例的图像数据的示意图，图8为本发明一实施例的背光模块的背光亮度设定值的分布图，图9为本发明一实施例的背光模块的背光照度分布图，图10为本发明一实施例的显示面板的图像数值补偿结果示意图。调光装置510自图像接收端512接收图像数据im，如图7显示的图像，调光处理单元540接收到图像数据im后会执行图像区块分割模块552，以依据背光模块110中的多个发光源114的位置或数目，将图像数据im切割成多个图像区块，在本实施例中，每一个图像区块会对应到一个发光源114。之后，调光处理单元540执行亮度设定模块554，依据每个图像区块的图像特征来设定所需的背光亮度值，具体而言，本实施例可采用误差修正法(error-correctionmethod)，根据图像区块中像素的最大亮度值与最小亮度值来进行每个图像区块所对应的发光源114的亮度值设定。接着，调光处理单元540执行滤波模块556，以进行空间滤波(spatialfilter)跟时间滤波(temporalfilter)来消除区域调光所造成的背光闪烁(flicker)与格纹噪声(grid-noise)现象，而获得背光亮度设定值bls，如图8显示的背光模块110(多个发光源114)的背光亮度设定。接着，调光处理单元540执行背光像素补偿模块558，背光像素补偿模块558用以根据背光亮度设定值bls跟图像数据im的原始图像像素值对显示面板120的像素进行补偿，以获得图像数值补偿结果imc，如图10显示的图像。最后，调光处理单元540将图像数值补偿结果imc提供给显示面板120，以让显示面板120显示画面，来让区域调光跟一般背光技术所显示的画面在用户眼睛的感受上保持一致性。另一方面，调光处理单元540也提供背光亮度设定值bls给背光亮度控制电路520，背光亮度控制电路520耦接背光模块110，用以控制多个发光源114的发光，如图9显示的背光模块110(多个发光源114)的背光照度分布。因此，调光装置510可以对应于发光源114的位置或数目将欲显示的图像数据im切割成多个图像区块，并且根据这些图像区块的图像特征来决定所对应的发光源114的发光，而背光亮度控制电路520可以根据调光装置510所计算出的背光亮度来局部驱动发光源114，因此不需要每次都全面性的驱动发光源114，当某一图像区块的影像特征为暗态画面时，背光亮度控制电路520可以降低对应的发光源114的发光亮度，甚至于不驱动，减少暗态漏光的问题，故可以大幅降低背光模块110的耗能，以及提升影像对比值。

除此之外，投影单元500还包括光感测装置530，光感测装置530用以感测环境光。光感测装置530将感测结果es传送至背光亮度控制电路520，因此背光亮度控制电路520除了根据显示画面的明暗，还可根据外在光线的强弱来自动调整背光模块110的相对亮度值，举例来说，背光模块110的亮度调整范围可为2500尼特(nits)到15000尼特(nits)。然而，在某些实施例中，投影单元500也可以不包括光感测装置530，本发明对此并不限制。

图11为本发明一实施例的抬头显示器的侧视示意图。抬头显示器70包括投影单元700及光学片200。投影单元700包括背光模块710与显示面板120。抬头显示器70与抬头显示器30类似，差异在于，抬头显示器70的背光模块710不包括扩散片dp，以下主要说明此差异。

抬头显示器10中的透光元件116也可以是显示面板120。背光模块710不包括扩散片dp，因此多个发光源114所发出的光线直接入射在显示面板120以形成图像光束i。

背光模块710的底板112表面s上配置了多个发光源114，多个发光源114规则排列以形成阵列并提供光束lb来照射显示面板120。多个发光源114的在表面s的排列周期、图案以及底板112与显示面板120在光轴oa方向上的间距l’的关系可参照上述的实施例中的方程式(4)、(5)或(6)，使多个发光源114投射在显示面板120的亮度均匀度(uniformity)优化。本领域技术人员可从上述的实施方式获致足教的建议与教示，在此不再加以赘述。

综上所述，本发明一实施例的背光模块至少包括底板以及以阵列方式配置在底板上的多个发光源，多个发光源提供光束照射透光元件，所述透光元件配置在底板跟多个发光源上方，其中底板与透光元件在光轴方向上的间距与多个发光源在底板上的排列位置被设计成使得光束照射在透光元件上具有亮度均匀优化，因此具有结构简单、无需额外供能来提升亮度的特点。本发明一实施例的抬头显示器包括上述的背光模块、显示面板以及光学片，其中上述的透光元件可以是背光模块中的扩散片或是显示面板。背光模块提供光束穿透显示面板以形成图像光束，光学片将图像光束反设置用户的眼睛。本发明一实施例的抬头显示器还具有全阵列区域调光(localdimming)功能，对应于发光源的位置或数目将欲显示的图像切割成多个图像区块，并且根据这些图像区块的图像特征来局部驱动发光源的发光，另外还可根据环境光来调整发光源的相对发光亮度，因此可以有效降低抬头显示器的耗能与散热问题，以及提升显示质量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围。