專利名稱：光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備以及光學(xué)部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠切換照射的角度范圍的光源設(shè)備、一種配備有這種光源設(shè)備并能夠切換能見(jiàn)度的角度范圍的顯示設(shè)備、一種配備有該顯示設(shè)備的終端設(shè)備以及一種在上述光源設(shè)備中使用的光學(xué)部件。
背景技術(shù)：
由于其外形薄、重量輕、尺寸小、耗能低以及其它優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛地開(kāi)發(fā)了使用液晶的顯示設(shè)備，并用于一系列設(shè)備中，包括監(jiān)視器、電視(TV電視)和其它大型終端設(shè)備；筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)和其它中型終端設(shè)備；以及個(gè)人TV、PDA(個(gè)人數(shù)字助理個(gè)人信息終端)、移動(dòng)電話、移動(dòng)游戲設(shè)備和其它小型終端設(shè)備?？傮w上，可以根據(jù)所使用的光源的類型，將這些液晶顯示設(shè)備分為透射、反射或透反(結(jié)合使用透射和反射的光)類型。由于其在顯示中使用外部光，能夠在反射型中減少能量消耗，但是與透射型相比，對(duì)比度和顯示性能的其它方面較差。因此，當(dāng)前透射和透反液晶顯示設(shè)備是主流。在透射和透反液晶顯示設(shè)備中，將光源設(shè)備安裝在液晶面板的背面，并且利用由光源設(shè)備發(fā)射的光來(lái)產(chǎn)生顯示。具體地，與液晶面板分離的光源設(shè)備在當(dāng)前主流液晶顯示設(shè)備中是主要的。
在作為液晶顯示設(shè)備的主要組件的液晶面板中，通過(guò)利用電場(chǎng)控制液晶分子的取向來(lái)顯示信息，但是，根據(jù)液晶分子的類型和初始取向、電場(chǎng)的方向等的組合，已經(jīng)提出了多種模式。在這些模式中，傳統(tǒng)終端設(shè)備中最常使用的模式包括利用簡(jiǎn)單矩陣結(jié)構(gòu)的STN(超扭轉(zhuǎn)向列)模式和利用有源矩陣結(jié)構(gòu)的TN(扭轉(zhuǎn)向列)。然而，在使用這些模式的液晶面板中，能夠正確地區(qū)分對(duì)比度的角度范圍較窄，并且在最優(yōu)觀看位置以外出現(xiàn)了灰度級(jí)反轉(zhuǎn)。
在移動(dòng)電話和其它終端設(shè)備中，當(dāng)顯示內(nèi)容主要包括電話號(hào)碼和其它字符時(shí)，灰度級(jí)反轉(zhuǎn)的問(wèn)題相對(duì)不明顯。但是，隨著近年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備不僅顯示文本信息，還顯示大量圖像信息。因此，灰度級(jí)反轉(zhuǎn)嚴(yán)重地降低了圖像的能見(jiàn)度。因此，逐漸地在終端設(shè)備中安裝使用以下模式的液晶面板在該模式中，能夠正確地區(qū)分對(duì)比度而不會(huì)出現(xiàn)灰度級(jí)反轉(zhuǎn)的角度范圍較寬。通常將具有該類型模式的液晶面板稱作寬視角液晶面板，并且其中應(yīng)用了面內(nèi)切換系統(tǒng)(in-planeswitching mode)和其它面內(nèi)模式(in-plane mode)、多域垂直對(duì)準(zhǔn)模式(multi-domain vertical mode)等。由于通過(guò)使用這些寬視角液晶面板能夠在較寬的角度范圍中正確地區(qū)分灰度，即使中型終端設(shè)備基板上是個(gè)人工具，正在開(kāi)發(fā)并逐漸地安裝了可由多人同時(shí)欣賞并且設(shè)計(jì)用于與他人共享信息的應(yīng)用。
另一方面，中型終端設(shè)備的特征在于不僅在嚴(yán)密安全的封閉房間中使用，還在公共場(chǎng)合使用。于是，阻止第三方觀看私密信息和機(jī)密信息的顯示變得非常重要。尤其是近年來(lái)，隨著終端設(shè)備的發(fā)展，顯示私密信息和機(jī)密信息的場(chǎng)合已經(jīng)增多，并且對(duì)于防竊聽(tīng)技術(shù)的需求正在增加。因此，存在對(duì)于開(kāi)發(fā)能夠防竊聽(tīng)的技術(shù)的需求，通過(guò)變窄顯示可見(jiàn)的角度范圍，使得只有用戶才能夠觀看顯示。
如上所述，同時(shí)希望具有兩種顯示器，一種具有較寬的視角范圍并且能夠同時(shí)被多人欣賞，而另一種具有較窄的視角范圍并且僅能夠被用戶觀看。還需要在單個(gè)終端設(shè)備中在這兩種類型的顯示器之間進(jìn)行切換的能力。因此，為了滿足這種需要，已經(jīng)提出了一種顯示器，其中如此設(shè)計(jì)對(duì)于液晶顯示設(shè)備不可或缺的光源，使得能夠改變視角的范圍。
圖35是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)9-244018中所述的傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備的示意截面圖；以及圖36是示出了其中使用該視角受控液晶顯示設(shè)備的一種照明設(shè)備的示意立體圖。如圖35所示，傳統(tǒng)的視角受控液晶顯示設(shè)備1101包括液晶顯示元件1102、散射控制元件(散射控制裝置)1103；以及照明設(shè)備(背光)1104。散射控制元件1103被設(shè)置在液晶顯示元件1102和照明設(shè)備1104之間。如圖36所示，照明設(shè)備1104配備了不透明開(kāi)縫片(半透明片)1120和照射單元1121。向照射單元1121提供了熒光管或其它光源1122，并且在面對(duì)光發(fā)射表面1123的表面上提供反射片1124，用于反射來(lái)自光源1122的光。不透明開(kāi)縫片1120一側(cè)的表面形成了光發(fā)射表面1123，用于發(fā)射來(lái)自光源1122的光，并將光引導(dǎo)向不透明開(kāi)縫片1120。在不透明開(kāi)縫片1120中，在半透明片的一個(gè)表面上，彼此平行地設(shè)置沿一個(gè)方向延伸的多個(gè)線性不透明部件。不透明部件延伸的方向與顯示單元的垂直方向一致。
在日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)9-244018中所述的傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備中，從光源1122發(fā)射的光通過(guò)不透明開(kāi)縫片1120照射到散射控制元件1103。當(dāng)從光發(fā)射表面1123發(fā)射的光通過(guò)不透明開(kāi)縫片1120時(shí)，不透明開(kāi)縫片1120增大了透射光的準(zhǔn)直性。因此，在相對(duì)于與光入射表面正交的方向明顯傾斜的角度處，不存在入射到散射控制元件1103的光。具體地，得到了高度平行于與不透明開(kāi)縫片1120的表面正交的方向的透射光。然后，從照明設(shè)備1104發(fā)射的光進(jìn)入散射控制元件1103。散射控制元件1103根據(jù)施加電壓的存在來(lái)控制入射光線的散射特性。當(dāng)散射控制元件1103處于散射狀態(tài)時(shí)，由散射控制元件1103散射來(lái)自照明設(shè)備1104的光；而當(dāng)散射控制元件1103處于透射狀態(tài)時(shí)，不散射來(lái)自照明設(shè)備1104的光。
在如上配置的視角受控液晶顯示設(shè)備1101中，當(dāng)散射控制元件1103處于散射狀態(tài)時(shí)，由散射控制元件1103散射從照明設(shè)備1104發(fā)射的高度準(zhǔn)直的光，并使其進(jìn)入液晶顯示元件1102。結(jié)果，已經(jīng)通過(guò)液晶顯示元件1102的光沿顯示單元的視角內(nèi)的所有方向釋放，并且可以從除了顯示單元正前方的位置以外的位置來(lái)辨別所顯示的內(nèi)容。相反，當(dāng)散射控制元件1103處于透射狀態(tài)時(shí)，使從照明設(shè)備1104發(fā)射的高度準(zhǔn)直的光在保持高準(zhǔn)直度的同時(shí)進(jìn)入液晶顯示元件1102，而不由散射控制元件1103進(jìn)行散射。結(jié)果，液晶顯示元件1102的透射光不會(huì)傳播到在水平方向偏左或偏右的角度處觀看顯示單元的位置，當(dāng)從這種位置觀看時(shí)，屏幕變暗，并且不可能辨認(rèn)所顯示的內(nèi)容。利用該配置，只有直接面向顯示單元的觀察者才能夠辨認(rèn)所顯示的內(nèi)容。
如上所述，在具有上述配置的視角受控液晶顯示設(shè)備1101中，由于可以通過(guò)散射控制元件1103來(lái)控制光的散射特性，所以可以控制所顯示內(nèi)容的視角特性。具體地，由于可以通過(guò)照明設(shè)備1104向液晶顯示元件1102發(fā)射高度準(zhǔn)直的光，當(dāng)將散射控制元件1103設(shè)置在透射狀態(tài)時(shí)，可以可靠地得到其中只有直接面向顯示單元的觀察者才能夠辨認(rèn)所顯示內(nèi)容的視角特性。因此，可以得到能夠在以下兩種狀態(tài)之間任意切換的液晶顯示設(shè)備不依賴于視角，在所有視角方向中均勻地保持顯示特性的狀態(tài)；以及只能從直接面對(duì)顯示單元的位置來(lái)辨認(rèn)所顯示內(nèi)容的狀態(tài)。
以前已經(jīng)研究了具有增大方向性的光源設(shè)備。圖37是示出了2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)引用的第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的示意立體圖。如圖37所示，第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備包括光源2101；光波導(dǎo)2102，用于以平面方式傳播并發(fā)射由光源2101發(fā)射的光；設(shè)置在光波導(dǎo)2102的光出射表面一側(cè)的漫射片2103；設(shè)置在漫射片2103上的兩個(gè)棱柱片2104和2105；設(shè)置在棱柱片上的漫射片2106；以及設(shè)置在光波導(dǎo)2102的光出射表面的相反一側(cè)上的反射片2107。在光波導(dǎo)2102的表面上印刷點(diǎn)的形狀。在兩個(gè)棱柱片2104和2105中形成沿一個(gè)方向延伸的一維排列的棱柱形狀。該棱柱形狀的頂角是90度。還如此設(shè)置棱柱片2104和2105，使得在棱柱片2104中形成的棱柱形狀的延伸方向與在棱柱片2105中形成的棱柱形狀的延伸方向彼此正交。此外，如此設(shè)置棱柱片2104和2105，使得棱柱面向上(與光波導(dǎo)相反的一側(cè))。
在具有該類型的配置并且在2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)引用的第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，從光源2101發(fā)射的光進(jìn)入光波導(dǎo)2102并且在光波導(dǎo)2102中傳播。然后，一部分光被印刷的點(diǎn)圖案散射，并從光波導(dǎo)2102的發(fā)射面發(fā)射。通過(guò)設(shè)置在光波導(dǎo)2102和棱柱片2104之間的漫射片2103，增強(qiáng)了從光波導(dǎo)2102發(fā)射的光的照度均勻比，并且光進(jìn)入棱柱片2104和2105。由于棱柱片2104和2105的頂角是90度，所以方向偏離正向大約30度的角度的光線發(fā)生折射，并沿著正向行進(jìn)。結(jié)果光線被聚焦在正向，并且增強(qiáng)了正向亮度。
圖38是示出了2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)引用的第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的示意立體圖。如圖38所示，第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備包括線光源3101；光波導(dǎo)3102，用于以平面方式傳播并發(fā)射由光源3101發(fā)射的光；設(shè)置在光波導(dǎo)3102的光出射表面一側(cè)的棱柱片3103；以及設(shè)置在光波導(dǎo)3102的光出射表面的相反側(cè)上的反射片3104。光波導(dǎo)3102是一種不光滑棱柱光波導(dǎo)，其中在其光出射表面上形成不光滑圖案形狀(圖中未示出)，并且在反射片3104側(cè)的表面(相反側(cè)表面)上形成沿與光源3101的延伸方向正交的方向(以下稱作與光源正交的方向)延伸的棱柱行。排列棱柱片3103，使棱柱面朝向光波導(dǎo)一側(cè)，且棱柱行的延伸方向是與光源的延伸方向平行的方向(以下稱作與光源平行的方向)。
在具有該類型的配置并且在2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)引用的第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，從光源3101發(fā)射的光進(jìn)入光波導(dǎo)3102并且在光波導(dǎo)3102中傳播。然后，通過(guò)形成在光出射表面(光波導(dǎo)3102的棱柱片一側(cè)的表面)中的不光滑圖案，一部分光被排除在全反射的狀況以外，并從光波導(dǎo)3102發(fā)射。從光波導(dǎo)3102發(fā)射的光處于略微偏離光波導(dǎo)3102的全反射條件的狀況下，因此是高度定向的光，其在與光源正交的方向中偏離發(fā)射面的法向大約65度處具有峰值。該光進(jìn)入棱柱片3103，但是被相反側(cè)上的棱柱的傾斜面全反射，并在被入射側(cè)上的棱柱的傾斜面折射之后沿正向方向被發(fā)射。
如上所述，由于入射到棱柱片3103的光在與光源正交的方向中具有高方向性，從棱柱片發(fā)射的光相對(duì)于與光源正交的方向也具有高方向性。另一方面，通過(guò)在光波導(dǎo)3102的反射片3104側(cè)的表面中形成沿著與光源正交的方向延伸的棱柱行，可以保證在平行于光源的方向中的方向性。
圖39A和39B是示出了第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的方向性特性和第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的方向性特性的比較結(jié)果的圖，其中水平軸表示出射角，垂直軸表示光強(qiáng)度。圖39A示出了垂直方向的方向性，圖39B示出了水平方向的方向性。圖39A和39B示出了2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)中圖14所述的內(nèi)容。如圖39A和39B所示，在第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，不僅在與光源正交的方向中提高了方向性，還在平行方向中提高了方向性，并且方向性被提高到高于第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備。
圖40是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)2003-215584中所述的第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的示意立體圖，圖41是其截面圖。如圖40所示，第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備主要包括光波導(dǎo)4132、發(fā)光單元4133、反射板4134以及漫射棱柱片4135。利用聚碳酸酯樹(shù)脂、甲基丙酸烯樹(shù)脂或其它透明樹(shù)脂形成方平板形的光波導(dǎo)4132，并且在其背面上形成光漫射圖案。當(dāng)在平面內(nèi)觀察時(shí)，通過(guò)以某一角度切割拐角部分，在光波導(dǎo)4132的拐角部分的一個(gè)位置中形成光入射面4137。在發(fā)光單元4133中，將一個(gè)或多個(gè)LED(發(fā)光二極管)密封在透明塑模樹(shù)脂中，并由白色樹(shù)脂覆蓋除塑模樹(shù)脂的前表面以外的表面。從LED發(fā)射的光直接從發(fā)光單元4133的前表面發(fā)射，或者在被塑模樹(shù)脂和白色樹(shù)脂之間的界面反射之后從發(fā)光單元4133的前表面發(fā)射。
該發(fā)光單元4133位于這樣的位置其前表面面對(duì)光波導(dǎo)4132的光入射面4137。光波導(dǎo)4132的底面上形成的光漫射圖案4136排列為以發(fā)光單元4133(具體地，內(nèi)部LED)為中心的同心弧形，并且每個(gè)光漫射圖案4136是通過(guò)將光波導(dǎo)4132的背面凹入形成的曲線，其截面為非對(duì)稱三角形形狀。光漫射圖案4136還沿著以發(fā)光單元4133為中心的弧形的圓周方向展開(kāi)，并且在面內(nèi)觀察時(shí)，光漫射圖案4136的反射面與將發(fā)光單元4133和光漫射圖案4136連接起來(lái)的方向相交。光漫射圖案4136還如此形成，使得圖案密度沿著離開(kāi)發(fā)光單元4133的方向逐漸增加。反射板4134的表面具有由Ag電鍍形成的鏡面光潔度，并且被放置為面對(duì)光波導(dǎo)4132的整個(gè)背面。在漫射棱柱片4135中，透明紋理漫射板4139形成在透明塑料片4138的表面上，并且透明棱柱片4140形成在塑料片4138的背面上。
在具有該類型配置并且在日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)2003-215584中所述的第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，從發(fā)光單元4133發(fā)射的光p從光入射面4137進(jìn)入光波導(dǎo)4132，如圖41所示。從光入射面4137進(jìn)入光波導(dǎo)4132的光p在光波導(dǎo)4132中以徑向方式傳播，但是光入射面4137中形成的光學(xué)元件4144如此設(shè)計(jì)，使得此時(shí)在光波導(dǎo)4132中傳播的光p的每個(gè)方向中的光強(qiáng)度與每個(gè)方向中光波導(dǎo)4132的表面面積成比例。進(jìn)入光波導(dǎo)4132的光p在光波導(dǎo)4132內(nèi)沿著離開(kāi)發(fā)光單元4133的方向傳播，同時(shí)在光波導(dǎo)4132的頂面和底面之間重復(fù)經(jīng)歷全反射。每當(dāng)光被截面為三角形形狀的光漫射圖案4136反射時(shí)，入射到光波導(dǎo)4132的底面上的光p入射到光波導(dǎo)4132的頂面(光出射面4145)上的角度就減小，并且以小于全反射臨界角的入射角入射到光出射面4145的光p穿過(guò)光出射面4145，并且出射到光波導(dǎo)4132的外部。每個(gè)光漫射圖案4136還被布置為與將發(fā)光單元4133連接到每個(gè)光漫射圖案4136的方向正交。因此，即使在光波導(dǎo)4132中傳播的光p被光漫射圖案4136漫射，光p在與光波導(dǎo)4132垂直、并包括將發(fā)光單元4133連接到光漫射圖案4136的方向的面內(nèi)被漫射，但是在與光漫射圖案4136的切線平行的面內(nèi)不會(huì)被散射，而是直線向前行進(jìn)。沒(méi)有被光波導(dǎo)4132的頂面反射就穿過(guò)底面的光p直接被面對(duì)光波導(dǎo)4132的底面的反射板4134反射，返回到光波導(dǎo)4132，并且再次在光波導(dǎo)4132中傳播。在極小的發(fā)散之后，由于穿過(guò)漫射棱柱片4135的棱柱片4140，從光波導(dǎo)發(fā)射的高度定向的光向著與光出射面4145垂直的方向彎曲，然后由漫射棱柱片4135的紋理漫射板4139漫射到適當(dāng)?shù)某潭?，具有高方向性的光沿著正向發(fā)射。因此獲得了高方向性。
然而，上述傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備具有如下的問(wèn)題。具體地，在日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)9-244018中描述的傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備中，通過(guò)使用不透明開(kāi)縫片來(lái)阻擋相對(duì)于光入射面以等于或大于特定角度的角度傾斜入射的分量，來(lái)增加從照明設(shè)備的照射單元發(fā)射的光的方向性。因此，在這種傳統(tǒng)顯示設(shè)備中，從光源發(fā)射的光的利用效率較低。從不透明開(kāi)縫片發(fā)射的高度定向光進(jìn)入散射控制元件。在寬角度顯示的情形中，散射控制元件處于散射狀態(tài)，并且在大的角度范圍中散射高方向性光。在這種顯示設(shè)備中，因?yàn)橐呀?jīng)穿過(guò)不透明開(kāi)縫片、在正向具有高度方向性的光在大的角度范圍中傳播，所以在所有角度處亮度都大大降低，并且與不具有不透明開(kāi)縫片的常規(guī)照明設(shè)備相比，顯示的能見(jiàn)度大大降低。
發(fā)明人進(jìn)行了集中研究，以便克服該問(wèn)題。結(jié)果，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加從光源設(shè)備(照明設(shè)備的照射單元)發(fā)射的光的方向性，有效地增加了由不透明開(kāi)縫片(后文稱作光方向調(diào)節(jié)元件)透射的光通量的數(shù)量。光方向調(diào)節(jié)元件的透射率取決于角度，從而透射率在正向最高，并且在角度大小增加時(shí)逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)角度增加時(shí)，不透明縫的視在開(kāi)口面積比(apparent open area ratio)減小。具體地，通過(guò)增加從光源設(shè)備發(fā)射的光的方向性，并且將光通量集中在光方向調(diào)節(jié)元件的透射率高的正向，可以增加穿過(guò)光方向調(diào)節(jié)元件的光通量。更優(yōu)選地，在光方向調(diào)節(jié)元件的面內(nèi)方向中以二維方式增加從光源設(shè)備發(fā)射的光的方向性，但是通過(guò)至少增加不透明縫的對(duì)準(zhǔn)方向中的方向性，可以增加透射的光通量。由此，即使散射控制元件處于散射狀態(tài)，也可以提高所有方向中的亮度。
基于該發(fā)現(xiàn)，發(fā)明人進(jìn)行了對(duì)傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的額外研究，以便提高傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備在寬視場(chǎng)顯示期間的亮度。結(jié)果確定，即使使用傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備，亮度的提高也是不夠的。
在2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)上引用的第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，從光波導(dǎo)發(fā)射并且由漫射片給予了更均勻亮度的光通量被兩個(gè)正交排列的棱柱片折射。結(jié)果，增加了正向的方向性，但是即使兩個(gè)棱柱片將方向偏離法向約30度的光線折射到正向，其他角度處的光線沿著正向以外的方向被折射或全反射。因此方向性特性的增加受到限制。結(jié)果，由光方向調(diào)節(jié)元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在寬角度顯示期間的亮度。
在2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁(yè)到21頁(yè)上引用的第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，在與光源垂直的方向中，可以獲得比第一傳統(tǒng)光源中更高的方向性，因?yàn)槔美庵娜瓷?，從光波?dǎo)發(fā)射的、具有高方向性的光通量沿著正向發(fā)射。通過(guò)設(shè)置在光波導(dǎo)的反射片一側(cè)、并且方向垂直于光源的棱柱行，增加了與光源平行方向中的方向性，但是在與光源垂直方向中的方向性較低，并且二維光會(huì)聚特性的增加受到限制。因此，當(dāng)這種光源設(shè)備安裝在移動(dòng)電話的顯示設(shè)備中時(shí)，優(yōu)選地，與高方向性光源垂直的方向的走向是顯示屏幕的左右方向。然后將光源設(shè)備的光源放置在顯示屏幕的左右兩側(cè)。然而，因?yàn)樵谄胀ㄒ苿?dòng)電話中機(jī)殼做得較薄，所以不可能將光源放置在顯示屏幕的左右兩側(cè)。因此，在第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備應(yīng)用于移動(dòng)電話時(shí)，光源被放置在顯示屏幕的上下兩側(cè)，但是難以增加左/右方向中的方向性。結(jié)果，由光方向調(diào)節(jié)元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在寬角度顯示期間的亮度。
另外，在日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)2003-215584中所述的第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備中，通過(guò)將光源做成點(diǎn)光源，并且通過(guò)使用其中繞著光源布置了同心圓圖案的光波導(dǎo)以及漫射棱柱片，可以增加二維光聚焦特性。利用這種配置，可以增加由光方向調(diào)節(jié)元件透射的光通量的比例。然而，必須將光源集中在一個(gè)位置，并且普通LED光源的強(qiáng)度不夠。當(dāng)使用其中多個(gè)LED安裝在單個(gè)封裝中的光源時(shí)，增加了光源的強(qiáng)度，但是光源的集成受限于散熱問(wèn)題。結(jié)果，由光方向調(diào)節(jié)元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在寬角度顯示期間的亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠切換照射角度范圍的光源設(shè)備，其中光源設(shè)備具有高方向性、高亮度，并且對(duì)光源的安裝位置沒(méi)有限制；提供一種安裝了該光源、并且具有高顯示亮度以及切換視角范圍的能力的顯示設(shè)備；提供一種安裝了這種顯示設(shè)備的終端設(shè)備；并且提供一種結(jié)合在光源設(shè)備中的光學(xué)部件。
根據(jù)本發(fā)明的光源設(shè)備具有光源；光引導(dǎo)部件，用于沿著第一方向發(fā)射從光源入射的光，其中所述第一方向不同于光的入射方向；光學(xué)部件，用于沿著第二方向發(fā)射從光引導(dǎo)部件入射的光，其中所述第二方向不同于所述第一方向；光方向調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)從光學(xué)部件入射的光的方向，并且發(fā)射光；以及透明/散射狀態(tài)切換元件，能夠在透射從光方向調(diào)節(jié)元件入射的光的狀態(tài)與散射光的狀態(tài)之間切換。光源沿著光引導(dǎo)部件的光入射表面放置；光學(xué)部件在其光入射表面上具有二維排列的多個(gè)光學(xué)元件；并且入射光沿著與包括所述入射方向和所述第一方向的平面正交的方向發(fā)射，并具有增加的方向性。
在本發(fā)明中，光引導(dǎo)部件增加了光在包括所述入射方向和所述第一方向的平面中的方向性，并且光學(xué)部件增加了光在與前述平面正交的方向中的方向性。因此，從光源發(fā)射的光可以具有二維增加的方向性。因?yàn)楸景l(fā)明還具有光方向調(diào)節(jié)元件，所以可以進(jìn)一步增加光的方向性。另外，因?yàn)閺墓庠窗l(fā)射的大部分光可以從光學(xué)部件沿著第二方向發(fā)射，所以高效率地利用光，并且光具有高亮度。此外，光源的安裝位置也具有高度自由。因?yàn)楣鈱W(xué)元件在光學(xué)部件中也是二維排列，所以沿著第一方向入射的光可以沿著第二方向發(fā)射，并且通過(guò)單個(gè)光學(xué)部件可以增加與前述平面正交的方向中的方向性。另外，通過(guò)采用如下方法，顯示設(shè)備上可以辨別圖像的視角范圍可以在兩級(jí)之間切換在所述方法中，通過(guò)使透明/散射狀態(tài)切換元件處于透明狀態(tài)，變窄從顯示設(shè)備發(fā)射的光的照射角度，并且通過(guò)使透明/散射狀態(tài)切換元件處于散射狀態(tài)，加寬從顯示設(shè)備發(fā)射的光的照射角度。
可以采用這樣的配置，其中光學(xué)部件具有由透明材料構(gòu)成的平板，光學(xué)元件形成在所述平板上，且包括由透明材料形成的多個(gè)圓錐體；這些圓錐體形成在平板上面對(duì)光引導(dǎo)部件的表面上；并且這些圓錐體的中軸彼此平行。
此時(shí)，優(yōu)選地，包括光學(xué)部件中的圓錐體的頂點(diǎn)的一行的相(phase)不同于其他行的相。優(yōu)選地，將圓錐體的頂點(diǎn)連接起來(lái)的假想直線的方向平行于平板的表面，并且包括三個(gè)彼此不同的方向。通過(guò)這種配置，可以最小化在光學(xué)部件與顯示面板組合使用時(shí)波紋(moire)的出現(xiàn)。
優(yōu)選地，圓錐體的中軸相對(duì)于與平板的表面相垂直的方向傾斜，從而所述第二方向垂直于平板的表面。通過(guò)這種配置，可以使從光源設(shè)備發(fā)射的光的強(qiáng)度分布中心位于與錐體片的平板相垂直的方向中。
另外，可以在平板中沒(méi)有形成圓錐體一側(cè)的表面上形成漫射圖案，用于漫射透射光。光源還可以包括點(diǎn)光源，并且可以在光引導(dǎo)部件上來(lái)自點(diǎn)光源的光入射的表面上形成用于漫射光的漫射圖案。通過(guò)這種配置，可以將點(diǎn)光源制成均勻的線光源，并且可以提高光源設(shè)備中發(fā)射光的面內(nèi)分布的均勻性。
另外，光引導(dǎo)部件可以包括光波導(dǎo)，光從其側(cè)面入射到所述光波導(dǎo)，并且在光波導(dǎo)中面對(duì)光學(xué)部件的光發(fā)射表面相反側(cè)的表面上可以形成傾斜表面，所述傾斜表面相對(duì)于光發(fā)射表面向著光源側(cè)傾斜。通過(guò)這種配置，可以增加從光引導(dǎo)部件發(fā)射的光在包括所述第一方向和光入射方向的平面中的方向性。
另外，根據(jù)本發(fā)明的光源優(yōu)選地具有反射片，當(dāng)從光引導(dǎo)部件觀察時(shí)，所述反射片位于光學(xué)部件所處一側(cè)相反的一側(cè)。由此可以進(jìn)一步提高光的亮度。
在該實(shí)例中，可以采用這樣的配置，其中在光方向調(diào)節(jié)元件中沿著與光的入射方向相交的方向以交替方式排列用于透射光的透明區(qū)域以及用于吸收光的吸收區(qū)域；并且光方向調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)排列方向中光的角度范圍。
光方向調(diào)節(jié)元件還可以具有彼此層疊在一起的第一和第二層，第一層中透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向與第二層中透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向正交。由此可以進(jìn)一步在二維中提高光的方向性。
當(dāng)從光方向調(diào)節(jié)元件中的光的入射方向觀察時(shí)，用于透射光的透明區(qū)域在用于吸收光的吸收區(qū)域中可以排列為矩陣形式。此時(shí)，當(dāng)從光的入射方向觀察時(shí)，透明區(qū)域的形狀可以是圓形、橢圓形、方形或矩形。
優(yōu)選地，透明區(qū)域和吸收區(qū)域之間的邊界平行于所述第二方向。由此可以高效率地透射光。
另外，優(yōu)選地，透明區(qū)域的排列方向相對(duì)于光學(xué)元件的排列方向傾斜。由此可以減少由于光方向調(diào)節(jié)元件和光學(xué)部件而出現(xiàn)的波紋。
光方向調(diào)節(jié)元件還可以與光學(xué)部件一體形成。通過(guò)這種配置，可以減小顯示設(shè)備的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的顯示設(shè)備包括光源設(shè)備；以及顯示面板，用于通過(guò)透射從光源設(shè)備發(fā)射的光，將圖像與光關(guān)聯(lián)起來(lái)。
利用本發(fā)明，因?yàn)楣庠丛O(shè)備的亮度較高，所以可以獲得能夠切換視角范圍并且具有高亮度的顯示設(shè)備。
另外，優(yōu)選地，顯示面板的像素排列方向相對(duì)于光學(xué)元件的排列方向傾斜。由此可以減少由于顯示面板和光學(xué)部件而出現(xiàn)的波紋。
顯示面板也可以是液晶面板。在這種情形中，優(yōu)選地，液晶面板根據(jù)橫向場(chǎng)原理、多域垂直對(duì)準(zhǔn)原理或者膜補(bǔ)償TN原理操作。通過(guò)這種配置，可以最小化顯示中的灰度反轉(zhuǎn)，并且在透明/散射狀態(tài)切換元件處于散射狀態(tài)時(shí)可以提高能見(jiàn)度。
根據(jù)本發(fā)明的終端設(shè)備的本質(zhì)特征在于，該終端設(shè)備具有前述顯示設(shè)備。該終端設(shè)備也可以是移動(dòng)電話、個(gè)人信息終端、游戲設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻播放器、筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)或者自動(dòng)售貨機(jī)。
當(dāng)終端設(shè)備為移動(dòng)電話時(shí)，光源優(yōu)選地位于顯示屏幕的頂部或底部。通過(guò)這種配置，不需要在該移動(dòng)電話中的顯示屏幕左右兩側(cè)保留放置光源的空間，并且同時(shí)可以獲得薄機(jī)殼和大屏幕。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)部件具有光方向調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)入射光的方向，并出射光；和在光方向調(diào)節(jié)元件上一體形成的、由透明材料構(gòu)成的多個(gè)圓錐體。
利用本發(fā)明，光引導(dǎo)部件增加了光在包括入射方向和第一方向的平面中的方向性，并且光學(xué)部件增加了光在與前述平面正交的方向中的方向性。由此獲得了高方向性、高亮度、對(duì)于光源安裝位置沒(méi)有限制、并能夠切換施加范圍的光源設(shè)備。通過(guò)使用這種光源設(shè)備，可以獲得具有高顯示亮度并且能夠切換視角范圍的顯示設(shè)備。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的立體圖；圖3是示出了裝配有根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的顯示設(shè)備的移動(dòng)終端設(shè)備的立體圖；圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光源設(shè)備中所使用的錐體片的立體圖；圖5示出了光源開(kāi)啟情形中的光學(xué)模型的立體圖；圖6是沿著圖5所示的線A-A的截面的光學(xué)模型圖；圖7是沿著圖5所示的線B-B的截面的光學(xué)模型圖；圖8是用于本發(fā)明第一實(shí)施例中計(jì)算機(jī)仿真的光學(xué)模型圖；圖9是示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中在光源開(kāi)啟時(shí)的仿真結(jié)果的圖，并且具體地示出了從光波導(dǎo)發(fā)射時(shí)的光強(qiáng)度分布；圖10是示出了圖9所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度；圖11是示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中在光源開(kāi)啟時(shí)的仿真結(jié)果的圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時(shí)的光強(qiáng)度分布；圖12是示出了圖11所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且在垂直軸代表光強(qiáng)度；圖13是示出了圖11所示的光強(qiáng)度分布中Y軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度；圖14是示出了向光入射表面提供了漫射圖案的光波導(dǎo)的立體圖；圖15是示出了向光出射表面提供了二維圖案的光波導(dǎo)的立體圖；圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖17是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的立體圖；圖18是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光源設(shè)備中所使用的錐體片在XZ平面中的截面圖；圖19是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的顯示設(shè)備中所使用的百葉窗(louver)的立體圖；圖20A至20G示出了在入射到錐體片上的光線方向改變時(shí)對(duì)發(fā)射光進(jìn)行仿真的結(jié)果，以便表示具有傾斜角度為10度的圓錐體的錐體片的光學(xué)操作；其中圖20A、B、C、D、E、F和G分別示出了當(dāng)入射角度為偏離Z軸10度、20度、30度、40度、50度、60度以及70度時(shí)的結(jié)果；圖21是示出了本發(fā)明第二實(shí)施例中在光源開(kāi)啟時(shí)的仿真結(jié)果的圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時(shí)的光強(qiáng)度分布；圖22是示出了圖21所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且在垂直軸代表光強(qiáng)度；圖23是示出了圖21所示的光強(qiáng)度分布中Y軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度；圖24是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的顯示設(shè)備中所使用的百葉窗的平面圖；圖25是示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的顯示設(shè)備中所使用的百葉窗的平面圖；圖26是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖27是示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的立體圖；圖28是示出了本發(fā)明第三實(shí)施例中在光源開(kāi)啟時(shí)的仿真結(jié)果的圖，并且具體地示出了從光波導(dǎo)發(fā)射時(shí)的光強(qiáng)度分布；圖29是示出了本發(fā)明第三實(shí)施例中在光源開(kāi)啟時(shí)的仿真結(jié)果的圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時(shí)的光強(qiáng)度分布；圖30是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且在垂直軸代表光強(qiáng)度；圖31是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強(qiáng)度分布中Y軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度；圖32是示出了根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；
圖33是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖34是示出了根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的顯示設(shè)備中所使用的百葉窗的立體圖；圖35是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)9-244018中所述的傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備的示意截面圖；圖36是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)9-244018中所述的傳統(tǒng)視角受控液晶顯示設(shè)備中所使用的照明設(shè)備的示意截面圖；圖37是示出了2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14至21頁(yè)上所述的第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的立體圖；圖38是示出了2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14至21頁(yè)上所述的第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的立體圖；圖39A和39B是示出了第二傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的方向性特性和第一傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的方向性特性的比較結(jié)果的圖，其中水平軸表示出射角，垂直軸表示光強(qiáng)度；圖39A示出了垂直方向的方向性；并且圖39B示出了水平方向的方向性；圖40是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)2003-215584中所述的第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的立體圖；圖41是示出了日本待審公開(kāi)專利申請(qǐng)2003-215584中所述的第三傳統(tǒng)高方向性光源設(shè)備的截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。首先描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。圖1是示出了根據(jù)本實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖2是示出了該顯示設(shè)備的光源單元的立體圖；圖3是示出了裝配有本實(shí)施例的顯示設(shè)備的移動(dòng)終端設(shè)備的立體圖；并且圖4是示出了本實(shí)施例的光源設(shè)備中所使用的錐體片的立體圖。
如圖1所示，在根據(jù)本第一實(shí)施例的顯示器2中提供了光源單元1，并且在光源單元1之上提供了百葉窗(louver)112(光方向調(diào)節(jié)元件)。在百葉窗112上提供了透明/散射狀態(tài)切換元件122，并且在透明/散射狀態(tài)切換元件122上提供了透射液晶面板7。光源單元1、百葉窗112以及透明/散射狀態(tài)切換元件122構(gòu)成了根據(jù)本實(shí)施例的照射角度切換類型光源設(shè)備。
如圖1和2所示，在光源單元1中提供了光波導(dǎo)3；位于光波導(dǎo)3的正面一側(cè)(具體地，在觀察者一側(cè))的錐體片6；以及位于光波導(dǎo)3側(cè)面的光源51。光波導(dǎo)3的正面，具體地，錐體片6一側(cè)的表面是光出射表面43。相反側(cè)，具體地，背面是光漫射表面44。光出射表面43是平坦的。在光漫射表面44中形成相對(duì)于光出射表面43向著光源51傾斜的傾斜表面41。利用這種配置，從光源51輻射并入射到光波導(dǎo)3上的光直接照射傾斜表面41。光源51包括沿著側(cè)面(光波導(dǎo)3中光入射到的表面)以幾乎相同的間隔排列的多個(gè)LED。
為了本說(shuō)明書(shū)的方便，如下所述建立了XYZ正交坐標(biāo)系統(tǒng)。從光源51到光波導(dǎo)3的方向?yàn)?X方向，并且相反方向?yàn)?X方向。+X方向和-X方向被統(tǒng)稱為X軸方向。在與光波導(dǎo)3的光出射表面43平行的方向內(nèi)，與X軸方向正交的方向是Y軸方向。另外，與X軸方向和Y軸方向都正交的方向是Z軸方向；并且在Z軸方向內(nèi)，從光漫射表面44到光出射表面43的方向?yàn)?Z方向，并且相反方向?yàn)?Z方向。+Z方向是正向，具體地，向著觀察者的方向。+Y方向是其中建立右手坐標(biāo)系統(tǒng)的方向。具體地，當(dāng)人的右手拇指在+X方向中，并且食指在+Y方向中時(shí)，中指在+Z方向中。
如上所述，當(dāng)建立了XYZ正交坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，光波導(dǎo)3的光出射表面43變?yōu)閄Y平面，當(dāng)從光波導(dǎo)3觀察時(shí)光源51位于-X方向，并且錐體片6位于+Z方向。光源51是漫射光源，并且從光源51輻射的光在光波導(dǎo)3內(nèi)至少在XY方向中漫射。
在百葉窗112中，例如在與百葉窗112的表面平行的方向中以交替方式形成及排列用于透射光的透明區(qū)域112a(見(jiàn)圖19)以及用于吸收光的吸收區(qū)域112b(見(jiàn)圖19)。透明區(qū)域112a和吸收區(qū)域112b例如是沿著X軸方向延伸的帶狀區(qū)域，并且其側(cè)面平行于Z軸方向。透明區(qū)域112a和吸收區(qū)域112b交替排列的排列方向是圖1所示的Y方向。
在透明/散射狀態(tài)切換元件122中提供了彼此平行排列的一對(duì)透明基板109，并且如此提供電極110，以便覆蓋每個(gè)透明基板中面對(duì)另一透明基板的表面。在電極110之間提供了PDLC(聚合物分散液晶Polymer Dispersed Liquid Crystal)層111，其中在聚合物基體111a中分散了液晶分子111b。通過(guò)使用電極110對(duì)向夾在電極之間的PDLC層111施加電壓，來(lái)改變PDCL層中液晶分子的取向狀態(tài)。例如，通過(guò)曝光將光固化樹(shù)脂的基體和液晶材料固化，來(lái)形成PDLC層111。透明/散射狀態(tài)切換元件122散射或者透射從百葉窗112入射的光，并且將光發(fā)射到透射液晶面板7。
如圖1所示，在光波導(dǎo)3的光漫射表面44中，沿+X方向依次重復(fù)排列傾斜表面41和平坦表面40。在圖1中僅示出了傾斜表面41的一個(gè)實(shí)例，以便簡(jiǎn)化附圖，但是傾斜表面41實(shí)際上形成在多個(gè)位置中，如前所述。傾斜表面41向著光源51傾斜；具體地，在從光源51發(fā)射、并且在光波導(dǎo)3內(nèi)沿+X方向傳播的光照射傾斜表面41的方向中。例如，傾斜表面41的傾斜角度的絕對(duì)值是6度。在+X方向中，從傾斜表面41到平坦表面40的過(guò)渡的邊界形成Z軸方向中的臺(tái)階。平坦表面40和傾斜表面41在光波導(dǎo)3的整個(gè)長(zhǎng)度上沿著Y軸方向延伸。
如圖1和4所示，在錐體片6中提供了由透明材料構(gòu)成的平板63，并且在平板63的背面上形成了多個(gè)錐體64。平板63與XY平面平行，并且錐體64沿著-Z方向突出，即，向著光波導(dǎo)3突出。具體地，錐體64的中軸彼此平行，并且平行于Z軸方向。錐體64的頂點(diǎn)沿著兩個(gè)方向排列，包括Y軸方向和XY平面中相對(duì)于Y軸方向成60度角度的方向。具體地，錐體64在平板63的光入射表面上在二維中排列，并且將錐體64的頂點(diǎn)連接起來(lái)的假想直線的延伸方向總共構(gòu)成三個(gè)方向，包括Y軸方向以及XY平面中相對(duì)于Y軸方向成60度角度的方向。利用這種配置，當(dāng)將三個(gè)互相鄰近的錐體64的頂點(diǎn)連接起來(lái)時(shí)，形成了一邊沿著Y軸方向延伸的假想等邊三角形。
在一個(gè)示例中，錐體64的頂點(diǎn)在Y軸方向中等間距排列，間隔為50m，并且由錐體的頂點(diǎn)形成的等邊三角形的邊長(zhǎng)是50μm。錐體64的頂角是70度，并且錐體的高度為36μm。術(shù)語(yǔ)“頂角”是指由包括錐體64的中軸的截面中的兩個(gè)錐面的邊形成的角度。透明樹(shù)脂適于用作光波導(dǎo)3和錐體片6的材料，因?yàn)槠湟子诔尚?，但是在本?shí)施例中使用折射率為1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMApolymethylmethacrylate)。
如圖3所示，例如，根據(jù)本實(shí)施例的顯示設(shè)備2安裝在移動(dòng)電話9中。顯示設(shè)備2如此布置，使得移動(dòng)電話的橫向和縱向分別對(duì)應(yīng)于光源設(shè)備的Y軸方向和X軸方向。具體地，移動(dòng)電話9中的光源51(見(jiàn)圖1)位于顯示屏幕的頂部。光源51也可以位于顯示屏幕的底部。
接著將描述如此配置的本實(shí)施例的顯示設(shè)備2的操作，但是首先描述光源單元1的操作。圖5示出了光源51開(kāi)啟情形中的光學(xué)模型的立體圖；圖6是沿著圖5所示的線A-A的截面圖；并且圖7是沿著圖5所示的線B-B的截面圖。線A-A沿著X軸方向延伸，并且線B-B沿著在XY平面中偏離X軸方向成30度角度的方向延伸。圖6和7中僅示出了傾斜表面41的一個(gè)實(shí)例以便簡(jiǎn)化附圖。
描述圖6所示的沿著線A-A的截面中的光的行為。光源51發(fā)射的光入射到光波導(dǎo)3，但是由于空氣和光波導(dǎo)3的樹(shù)脂材料之間的折射率差異，根據(jù)Snell定理，由+X方向和光進(jìn)入光波導(dǎo)3之后傳播的方向在Z軸方向中形成的角度減小41.8度。因此，將考慮在+Z方向中相對(duì)于+X方向傾斜了41.8度的光線。
從光源51發(fā)射并指向光波導(dǎo)3的光線到達(dá)光波導(dǎo)3的光出射表面43，但是因?yàn)槠湎鄬?duì)于Z軸方向的角度是48.2度，這大于41.8度的臨界角，所以光線經(jīng)歷全反射，而不會(huì)從光波導(dǎo)3出射。同樣，因?yàn)楫?dāng)光線入射到傾斜表面41之外的其他區(qū)域時(shí)，在光漫射表面44中也是以相同角度出現(xiàn)全反射，所以光線遠(yuǎn)離光源51傳播，同時(shí)在光出射表面43和光漫射表面44之間經(jīng)歷重復(fù)的全反射。在此傳播期間，當(dāng)光入射到相對(duì)于X軸方向傾斜6度的傾斜表面41時(shí)，偏離傾斜表面41的法線的角度變?yōu)?2.2度，但是因?yàn)樵撝荡笥?1.8度的臨界角，所以光經(jīng)歷全反射，而不會(huì)從傾斜表面41出射到光波導(dǎo)3的外部。全反射的光相對(duì)于Z軸方向的角度變?yōu)?6.2度，這小于臨界角。因此，到達(dá)光出射表面43的光從光波導(dǎo)3發(fā)射到外部，并且該發(fā)射之后的角度相對(duì)于Z軸方向是62.4度。
如前所述，進(jìn)入光波導(dǎo)3的光在入射之后相對(duì)于X軸方向總是處于41.8度或更小的角度。因此，當(dāng)光到達(dá)光出射表面43或光漫射表面44時(shí)，該入射光的角度相對(duì)于Z軸方向?yàn)?8.2度或更高，并且光被全反射。在光在光出射表面43和光漫射表面44中被全反射并傳播通過(guò)光波導(dǎo)3的過(guò)程中，每當(dāng)光被具有6度傾斜角度的傾斜表面41全反射時(shí)，光行進(jìn)時(shí)相對(duì)于Z軸方向的角度就接近臨界角，并且只要該角度變?yōu)樾∮谂R界角，光就從光出射表面43或光漫射表面44的平坦表面出射。結(jié)果，從光波導(dǎo)3發(fā)射的光在XZ平面中偏離+Z方向60度角度的方向中具有強(qiáng)方向性。
從光波導(dǎo)3以相對(duì)于Z軸方向?yàn)?2.4度角度發(fā)射的光進(jìn)入錐體片6。然而，因?yàn)殄F體64的頂角為70度，所以光進(jìn)入錐體64的角度是7.4度，錐體的入射面的法線與進(jìn)入錐體64的光線的傳播方向之間的角度變?yōu)?.9度。光線然后到達(dá)錐體64的相對(duì)一側(cè)的側(cè)面，但是因?yàn)橄鄬?duì)于該側(cè)面的角度是偏離面法線65.1度，所以光經(jīng)歷全反射，并且沿著偏離Z軸11.1度的方向行進(jìn)。根據(jù)Snell定理，從錐體片6發(fā)射的光的角度為偏離Z軸16.8度。具體地，從錐體片6發(fā)射的光在XZ平面中偏離Z軸16.8度的方向中具有強(qiáng)方向性。
接著描述圖7所示的沿著線B-B的截面中的光的行為。如前所述，因?yàn)楣庠?1至少在XY平面中漫射，所以與沿著線A-A的截面中相同的理論適用于沿著線B-B的截面。結(jié)果，從錐體片6發(fā)射的光具有高方向性，并且偏離+Z方向?yàn)?6.8度角度。該結(jié)果不僅對(duì)線B-B如此，而且對(duì)XY平面內(nèi)其他角度也相同。因此，從錐體片6發(fā)射的光在偏離+Z方向16.8度的方向中具有高方向性。具體地，光源單元1的照射角度局限在窄范圍的角度中。
利用商用射線跟蹤仿真器來(lái)執(zhí)行計(jì)算機(jī)仿真，以便研究上述設(shè)計(jì)的有效性。圖8是示出了該仿真中使用的光學(xué)模型的圖。如圖8所示，光波導(dǎo)3的X軸方向長(zhǎng)度、Y軸方向?qū)挾纫约癦軸方向高度被分別設(shè)計(jì)為60mm、40mm和0.6mm，并且作為光源的發(fā)光面53被放置在光波導(dǎo)3的-X方向一側(cè)的YZ平面中，從而入射方向?yàn)?X方向。發(fā)光面53的Y軸方向?qū)挾葹?0mm，并且Z軸方向高度為0.5mm。使用發(fā)射Lambert光的發(fā)光面。
在光波導(dǎo)3的-Z方向一側(cè)的XY平面中形成傾斜表面41。傾斜表面41從+X方向朝向+Z方向傾斜6度的角度，并且如此布置傾斜表面，使得在Y軸方向中連續(xù)。傾斜表面41中Z軸方向的深度的最大值被設(shè)置為10μm，并且X軸方向中的間距被設(shè)置為0.2mm。
當(dāng)從光波導(dǎo)3觀察時(shí)，在+Z方向一側(cè)提供了錐體片6，其面對(duì)下方，并且具有多個(gè)頂點(diǎn)面對(duì)-Z方向的錐體。如此布置錐體，使得當(dāng)從-Z方向觀察時(shí)，錐體的頂點(diǎn)形成等邊三角形，并且其一邊平行于Y軸方向。錐體頂點(diǎn)在Y軸方向中的間距為50μm，并且由錐體的頂點(diǎn)形成的等邊三角形的邊長(zhǎng)為50μm。錐體的頂角被設(shè)置為70度，并且高度被設(shè)置為36μm。錐體片6的厚度(包括錐體部分)是0.1mm，并且在錐體片6的+Z方向一側(cè)安裝光接收面55，其在X軸方向的長(zhǎng)度為10mm，并且在Y軸方向的寬度為10mm。還在光波導(dǎo)3與錐體片6之間安裝相同大小的光接收面55，用于觀察從光波導(dǎo)3發(fā)射的光的強(qiáng)度分布。使用折射率為1.5的聚甲基丙烯酸甲酯作為光波導(dǎo)3和錐體片6的材料。
接著描述光源開(kāi)啟時(shí)的光強(qiáng)度分布。圖9是示出了在光源開(kāi)啟時(shí)從光波導(dǎo)發(fā)射期間的光強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)圖，并且圖中示出了X方向和Y方向。圖10是示出了圖9所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中在水平軸上繪制了X軸方向中的視角，并且在垂直軸上繪制了光強(qiáng)度。圖11是示出了在光源開(kāi)啟時(shí)從錐體片發(fā)射期間的光強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)圖，并且圖中示出了X方向和Y方向。圖12是示出了圖11所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中在水平軸上繪制了X軸方向中的視角，并且在垂直軸上繪制了光強(qiáng)度。圖13是示出了圖11所示的光強(qiáng)度分布中Y軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中在水平軸上繪制了Y軸方向中的視角，并且在垂直軸上繪制了光強(qiáng)度。在圖9和11中，具有相等亮度的點(diǎn)由實(shí)線連接起來(lái)，并且由這些實(shí)線包圍的區(qū)域按照亮度的順序被表示為a、b、c和d。具體地，最亮的區(qū)域被表示為區(qū)域a，并且最暗的區(qū)域被表示為區(qū)域d。這同樣適用于后文描述的其他極坐標(biāo)圖。
如圖9和10所示，在從光波導(dǎo)發(fā)射期間，X軸方向中光強(qiáng)度分布的峰值出現(xiàn)在偏離Z軸-65度的方向中。Y軸方向的傾斜角度還是以相對(duì)均勻的方式分布。如圖11至13所示，在從錐體片發(fā)射期間，在X軸方向和Y軸方向中，光強(qiáng)度分布都是集中在30度或更小角度。具體地，顯而易見(jiàn)的是，光源設(shè)備的照射范圍局限于窄范圍的角度，并且當(dāng)光源開(kāi)啟時(shí)光被二維聚焦。
如上所述，在光源單元1中，因?yàn)橹挥泄獠▽?dǎo)3和錐體片6處于厚度方向(具體地，Z軸方向)，所以可以將光源單元1制造得更薄。通過(guò)錐體片6的光聚焦效果，從光源單元1發(fā)射的光的照射角度的范圍可以在X軸方向和Y軸方向中相對(duì)于發(fā)射方向(即，+Z方向)都減小。具體地，可以在二維中增加發(fā)射光的方向性。
接著解釋本實(shí)施例的顯示設(shè)備2的操作。首先描述寬角度顯示的情形。如圖1所示，從光源單元1發(fā)射的具有高方向性的光入射到百葉窗112上。在Y方向中具有大角度的光線部分被百葉窗112吸收，并且在Y方向中具有較高方向性的光被發(fā)射。此時(shí)，從顯示設(shè)備2發(fā)射的光在Y方向中也具有足夠增大的方向性。因此，被百葉窗112吸收的光僅僅是由于光源設(shè)備的散射等出現(xiàn)的光，并且其量較小。具體地，使得由百葉窗112帶來(lái)的光通量減少最小化。
如圖1所示，從百葉窗112發(fā)射、并且具有高方向性分布的光進(jìn)入透明/散射狀態(tài)切換元件122。在寬角度顯示的情形中，不向PDLC層111施加電壓。因此，在PDLC層111中，液晶分子111b隨機(jī)分散在聚合物基體111a中，并且入射光被散射。因此，高方向性光被PDLC層111均勻散射，并且分散到寬范圍的角度中。具體地，通過(guò)百葉窗112增加了方向性的光被透明/散射狀態(tài)切換元件122散射，并且變?yōu)榉较蛐越档偷膶捊嵌裙?。分布擴(kuò)展到大范圍上的光進(jìn)入透射液晶面板7，并且毫無(wú)修改地被發(fā)射作為寬角度光，如圖1所示。于是在寬視角中顯示圖像。如前所述，從本發(fā)明中的光源設(shè)備發(fā)射的光的方向性相對(duì)于發(fā)射表面二維增加，并且被百葉窗112吸收的光的數(shù)量被最小化。因此，可以提高寬角度顯示期間的亮度。另外，因?yàn)椴恍枰獙⒐庠捶胖脼辄c(diǎn)光源，并且可以在光波導(dǎo)的光入射表面上排列多個(gè)光源，所以可以增加光源的強(qiáng)度，由此可以進(jìn)一步提高寬角度顯示期間的亮度。
接著描述窄角度顯示的情形。窄角度顯示情形中在光進(jìn)入透明/散射狀態(tài)切換元件122之前的過(guò)程與寬角度顯示情形中一樣。在窄角度顯示的情形中，向PDLC層111施加指定電壓。由此使PDLC層111處于透明狀態(tài)，其中聚合物基體111a中分散的液晶分子111b被取向。具體地，具有高方向性的入射光毫無(wú)變化地透射。具體地，通過(guò)百葉窗112增加了Y軸方向中方向性的光從透明/散射狀態(tài)切換元件122以維持高方向性分布的狀態(tài)被發(fā)射。具有高方向性分布的此光進(jìn)入透射液晶面板7，并且以其高方向性的原始狀態(tài)被發(fā)射，如圖1所示。于是在窄視角中顯示圖像。
接著將描述本實(shí)施例的效果。本實(shí)施例的光源設(shè)備提供了高亮度，因?yàn)閺墓庠磫卧械墓庠窗l(fā)射的大多數(shù)光可以在相對(duì)于+Z方向(作為中軸)一定范圍的角度中具有高方向性地被發(fā)射。通過(guò)將圖12和13與圖39A和39B相比較，顯而易見(jiàn)，本實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的方向性高于傳統(tǒng)光源設(shè)備的方向性，尤其在Y軸方向中。因此，本實(shí)施例的光源設(shè)備輻射高強(qiáng)度的光，并且本實(shí)施例的顯示設(shè)備的顯示亮度較高。
在根據(jù)本實(shí)施例的光源設(shè)備中，只要光源沿著光波導(dǎo)的任意一邊放置就足夠了。因此，對(duì)于光源安裝位置的限制很少，并且向設(shè)計(jì)賦予了高度自由。例如，因?yàn)椴恍枰獙⒐庠粗瞥牲c(diǎn)光源，并且可以提供多個(gè)點(diǎn)光源或者線光源，所以可以整體提高光源設(shè)備的亮度。當(dāng)根據(jù)本實(shí)施例的光源設(shè)備安裝在移動(dòng)終端設(shè)備中時(shí)，不需要將光源放置在顯示屏幕的左右兩側(cè)，并且可以將光源放置在顯示屏幕之上或之下。因此，可以小型化移動(dòng)終端設(shè)備的機(jī)殼。
另外，在本實(shí)施例中，因?yàn)閺墓庠磫卧l(fā)射的光的方向性相對(duì)于XY平面二維增加，所以光源設(shè)備不僅可以切換X軸方向中的照射角度范圍，而且可以切換Y軸方向中的照射角度范圍。因此，根據(jù)本實(shí)施例的顯示設(shè)備不僅在屏幕的水平方向中而且在垂直方向中可以具備在窄角度顯示和寬角度顯示之間進(jìn)行切換的能力。
另外，在根據(jù)本實(shí)施例的顯示設(shè)備中，光方向調(diào)節(jié)元件的透明區(qū)域和吸收區(qū)域沿著Y軸方向以交替方式排列；具體地，屏幕的左右方向。因此，通過(guò)將光穿過(guò)光方向調(diào)節(jié)元件，可以進(jìn)一步提高從光源設(shè)備發(fā)射的光在Y軸方向中的方向性。
另外，因?yàn)樵诒緦?shí)施例中在錐體片上二維排列了錐體，所以沿著從+Z方向朝向+X方向成60度角度的方向入射的光可以被單個(gè)錐體片沿著從+Z方向朝向+X方向成16.8度角度的方向發(fā)射，并且也可以增加此光在Y軸方向中的方向性。因此，不需要提供多個(gè)錐體片，并且可以減小光源設(shè)備的厚度。
本發(fā)明中光波導(dǎo)的傾斜表面的傾斜角度不限于前述值，并且可以選擇其他值，只要表現(xiàn)出相同的效果。用于光波導(dǎo)的材料也不限于前述材料。另外，傾斜表面的深度和間距也不限于前述值，并且可以在光波導(dǎo)內(nèi)變化。傾斜表面的一定范圍的傾斜角度也可以分布在光波導(dǎo)內(nèi)。通過(guò)增加光波導(dǎo)中靠近光源的傾斜表面的間距，可以使光源設(shè)備的發(fā)光平面中的亮度分布均勻。因?yàn)橹灰獠▽?dǎo)能夠沿著偏離發(fā)射表面的法線方向60度的方向發(fā)射光就足夠了，所以可以使用在發(fā)射表面上印刷了不光滑形狀的光波導(dǎo)，如第二傳統(tǒng)光源設(shè)備。也可以使用楔形散射型光波導(dǎo)，如第三傳統(tǒng)光源設(shè)備。
錐體片的頂角、高度、間距、厚度以及其他方面也不限于前述值，并且可以選擇不同值，只要表現(xiàn)出相同效果。用于錐體片的材料也不限于前述材料。也可以將錐體的頂角放置為形成等邊三角形，但是這種配置不是限制性的，并且頂點(diǎn)可以形成等邊三角形之外的其他形狀。三角形的邊也不必完全平行于Y軸，并且可以相對(duì)Y軸成一定角度，以便防止顯示面板的波紋。然而，X軸方向中錐體頂點(diǎn)的位置相優(yōu)選地相對(duì)于Y軸方向是不均勻的。通過(guò)這種配置，當(dāng)光源開(kāi)啟時(shí)由光波導(dǎo)發(fā)射的光與X軸方向中的相相對(duì)于Y軸方向均勻時(shí)的情形相比，可以更高效地聚焦在Z軸方向。另外，可以向錐體片中形成了錐體的表面相反一側(cè)的表面上提供漫射圖案。由此可以防止百葉窗或顯示面板出現(xiàn)波紋。
也可以使用冷陰極管或其他線光源用作光源，并且也可以使用LED或其他點(diǎn)光源。尤其在使用LED時(shí)可以減小光源的厚度，但是如圖14所示，向光波導(dǎo)的光入射表面提供漫射圖案31對(duì)于將點(diǎn)光源制作為均勻線光源是有效的。如圖15所示，可以在光波導(dǎo)3的光出射表面43上形成二維圖案32。二維圖案32例如由分布在半圓區(qū)域中的多個(gè)凹陷構(gòu)成。二維圖案32在放置在光源附近時(shí)對(duì)于使來(lái)自光源的光變得均勻是尤其有效的。如前所述，可以將多個(gè)LED放置在光波導(dǎo)的光入射表面上。
可以如此調(diào)整光源的強(qiáng)度，使得透射液晶面板的正向亮度在窄角度顯示和寬角度顯示期間具有相同值。由此，可以將透射液晶顯示面板的正向亮度維持恒定，并且可以減少在窄角度顯示和寬角度顯示之間切換時(shí)的不適。當(dāng)光源由白色LED構(gòu)成，并且白色LED由藍(lán)色LED和黃色熒光粉構(gòu)成時(shí)，可以通過(guò)電流的脈沖寬度調(diào)制來(lái)調(diào)整白色LED的強(qiáng)度。在由藍(lán)色LED和黃色熒光粉構(gòu)成的白色LED中，黃色熒光粉被藍(lán)色LED發(fā)射的一部分藍(lán)光激發(fā)，并且發(fā)射黃光。藍(lán)光和黃光混合在一起，生成白光。當(dāng)調(diào)整電流量時(shí)，藍(lán)光和黃光的發(fā)射比波動(dòng)，使得透射液晶面板的正向亮度在窄角度顯示情形中與寬角度顯示情形中具有相同值。因此，透射液晶面板的色度出現(xiàn)變化。相反，當(dāng)通過(guò)脈沖調(diào)制來(lái)調(diào)整光強(qiáng)度時(shí)，通過(guò)調(diào)整發(fā)射時(shí)間比來(lái)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度的調(diào)整，這允許最小化透射液晶面板的色度變化。
本發(fā)明中的顯示面板不限于液晶面板，并且可以使用任何使用光源設(shè)備的顯示面板。液晶面板也不限于透射型，并且可以使用在每個(gè)像素中具有透射區(qū)域的任何面板。也可以使用在每個(gè)像素的一部分中具有反射區(qū)域的透反液晶面板、各處可見(jiàn)透反液晶面板或者微反射液晶面板。液晶面板對(duì)視角具有最小依賴性并且能夠在寬視角顯示期間抑制對(duì)比度反轉(zhuǎn)是合適的。這種液晶面板的模式示例包括在水平場(chǎng)模式中，IPS(面內(nèi)切換)、FFS(邊緣場(chǎng)切換)、AFFS(高級(jí)邊緣場(chǎng)切換)等。垂直對(duì)準(zhǔn)模式包括多域且擁有減小的視角依賴性的MVA(多域垂直對(duì)準(zhǔn))、PVA(圖案垂直對(duì)準(zhǔn))、ASV(高級(jí)超V)等。另外，也可以適當(dāng)?shù)厥褂媚ぱa(bǔ)償TN模式液晶顯示面板。
與本發(fā)明的光源設(shè)備結(jié)合使用的透明/散射狀態(tài)切換元件不限于具有PDLC層，并且可以適當(dāng)?shù)厥褂媚軌蛟谕该鳡顟B(tài)和散射狀態(tài)之間切換的任何元件。其示例可以包括使用聚合物網(wǎng)絡(luò)液晶(PNLC)的元件，或者使用動(dòng)態(tài)散射(DS)的元件。在前述PDLC層中，所使用的透明/散射狀態(tài)切換元件在沒(méi)有施加電壓時(shí)處于散射狀態(tài)，并且在施加電壓時(shí)處于透明狀態(tài)。通過(guò)這種配置，可以提高散射狀態(tài)期間光源設(shè)備的亮度，因?yàn)橥该?散射狀態(tài)元件在處于入射光被散射的狀態(tài)時(shí)不消耗功率，并且不然將會(huì)消耗掉的功率被分配給背光光源。還可以使用在沒(méi)有施加電壓時(shí)處于透明狀態(tài)并且在施加電壓時(shí)處于散射狀態(tài)的PDLC層。這種類型的PDLC層通過(guò)將光固化樹(shù)脂和液晶材料的混合物曝光并且在施加電壓同時(shí)固化該混合物來(lái)獲得。通過(guò)這種配置，不需要向PDLC層施加電壓，并且在頻繁使用窄角度顯示的移動(dòng)信息終端設(shè)備中可以抑制功耗。膽甾型液晶、鐵電液晶等也可以用作PDLC層中所使用的液晶分子。即使不再施加電壓，這些液晶仍然保持施加電壓時(shí)的取向，并且具有存儲(chǔ)特性。通過(guò)使用這種類型的PDLC層，可以減少功耗。
本實(shí)施例中的百葉窗被描述為具有在Y方向以交替方式排列的透明區(qū)域和吸收區(qū)域，但是也可以采取在XY平面中旋轉(zhuǎn)的布置。通過(guò)這種配置，可以使百葉窗和顯示面板產(chǎn)生的波紋不那么顯著，并且可以提高顯示質(zhì)量。通過(guò)將透明區(qū)域和吸收區(qū)域交替排列的方向設(shè)置為與錐體片的錐體排列方向不同的方向，可以使百葉窗和錐體片產(chǎn)生的波紋不那么顯著，并且可以提高顯示質(zhì)量。
本發(fā)明的光源設(shè)備中所使用的錐體片中的錐體的末端可以被弄圓到不會(huì)嚴(yán)重減小二維光聚焦效果的程度。其形狀不限于錐體，并且可以以相同方式應(yīng)用其他形狀，只要以重復(fù)方式排列精細(xì)的二維圖案，并且該形狀具有二維光聚焦效果。
本實(shí)施例的顯示設(shè)備可以合適地安裝在移動(dòng)電話或其他移動(dòng)終端設(shè)備中。兼容的移動(dòng)終端設(shè)備不僅包括移動(dòng)電話，還包括PDA、游戲設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)以及各種其他類型的移動(dòng)終端設(shè)備。顯示設(shè)備不僅可以安裝在移動(dòng)終端設(shè)備中，而且還可以安裝在視頻播放器、筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、自動(dòng)提款機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、以及其他各種類型的終端設(shè)備中。
接著描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。圖16是示出了本實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖17是示出了本實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的立體圖；圖18是示出了本實(shí)施例的光源設(shè)備中所使用的錐體片的截面圖；并且圖19是示出了本實(shí)施例的百葉窗的立體圖。如圖17和18所示，本實(shí)施例的光源單元11具有錐體片61，而不是前述第一實(shí)施例的光源單元1(見(jiàn)圖1)中的錐體片6。在錐體片61中，錐體64的中軸從-Z方向朝向著+X方向傾斜了10度。
在本實(shí)施例的顯示設(shè)備21中還提供了百葉窗212，而不是前述第一實(shí)施例中的百葉窗112(見(jiàn)圖1)。如圖19所示，本實(shí)施例的百葉窗212由兩層根據(jù)前述第一實(shí)施例的百葉窗112組合而成。在每個(gè)百葉窗112中，以交替方式排列沿著一個(gè)方向延伸的帶狀透明區(qū)域112a和吸收區(qū)域112b。構(gòu)成百葉窗212的底層的百葉窗112中透明區(qū)域112a和吸收區(qū)域112b排列的方向與構(gòu)成百葉窗212的頂層的百葉窗112中透明區(qū)域112a和吸收區(qū)域112b排列的方向正交。上述彼此正交的兩個(gè)排列方向都位于XY平面內(nèi)，并且例如相對(duì)于+X方向傾斜45度。本實(shí)施例的其他方面與前述第一實(shí)施例相同。
接著將描述如此配置的本實(shí)施例的顯示設(shè)備21的操作，但是首先描述光源單元11的操作。在本實(shí)施例中，在從光源51發(fā)射的光從光波導(dǎo)3發(fā)射之前的操作與第一實(shí)施例相同。本實(shí)施例中錐體片61的操作與第一實(shí)施例不同。因此，將注意力集中在具有傾斜錐體的錐體片61的操作。圖20A至20G示出了在入射到錐體片上的光線方向改變時(shí)對(duì)發(fā)射光進(jìn)行仿真的結(jié)果，以便表示本實(shí)施例中所使用的、具有傾斜錐體的錐體片61的光學(xué)操作；其中圖20A、B、C、D、E、F和G分別示出了當(dāng)入射角度為偏離Z軸10度、20度、30度、40度、50度、60度以及70度時(shí)的結(jié)果。在圖20中，帶有箭頭的兩條雙虛線指示入射光通量的外沿，并且沒(méi)有箭頭的實(shí)線指示發(fā)射光線。
根據(jù)圖20A至20G，顯而易見(jiàn)，當(dāng)入射光的入射角度改變時(shí)，發(fā)射光沿著不同方向行進(jìn)，但是特別地，入射角度偏離Z軸60度和70度的光線被偏轉(zhuǎn)到正向。
通過(guò)使用商用射線跟蹤仿真器以與第一實(shí)施例相同的方式來(lái)執(zhí)行計(jì)算機(jī)仿真，以便對(duì)上述設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)研究。光學(xué)模型與第一實(shí)施例中相同，除了錐體在+X方向中傾斜了10度。圖21是示出了在光源開(kāi)啟時(shí)從錐體片發(fā)射期間的光強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)圖，其中示出了X方向和Y方向。圖22是示出了圖21所示的光強(qiáng)度分布中X軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度。圖23是示出了圖21所示的光強(qiáng)度分布中Y軸方向的光強(qiáng)度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度。如圖21至23所示，在從錐體片發(fā)射期間，在X軸方向和Y軸方向中，光強(qiáng)度分布都是聚焦在30度之內(nèi)，并且特別可以使中心接近正向。錐體的傾斜角度不限于10度，并且可以選擇不同值，只要表現(xiàn)出相同效果。
接著描述本實(shí)施例的顯示設(shè)備21的操作。從光源單元11沿著正向發(fā)射的具有高方向性的光進(jìn)入百葉窗212。百葉窗212不僅吸收在Y方向中具有大角度的光線，而且還吸收入射方向相對(duì)于百葉窗212的光入射表面與此入射表面的法線方向偏離大角度的光線，并且發(fā)射在二維中方向性進(jìn)一步增加的光。因?yàn)閺墓庠磫卧?1發(fā)射的光此時(shí)在二維中擁有足夠增加的方向性，所以被百葉窗112吸收的光僅僅是由于光源設(shè)備的散射等出現(xiàn)的極少量光。具體地，使得由百葉窗112帶來(lái)的光通量減少最小化。從百葉窗212發(fā)射、并且具有高方向性分布的光進(jìn)入透明/散射狀態(tài)切換元件122，并且隨后的操作與前述第一實(shí)施例相同。
在如此配置的第二實(shí)施例中，百葉窗由兩層構(gòu)成，并且每一層中透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向彼此正交。因此，從光源單元11發(fā)射的光的方向性可以相對(duì)于X軸方向和Y軸方向都增加。具體地，可以在二維中增加光的方向性。結(jié)果，當(dāng)透明/散射狀態(tài)切換元件122處于透明狀態(tài)時(shí)從顯示屏幕發(fā)射的光不僅在顯示屏幕的水平方向而且在垂直方向中具有增加的方向性。當(dāng)透明/散射狀態(tài)切換元件122處于散射狀態(tài)時(shí)，從顯示屏幕發(fā)射的光在顯示屏幕的水平方向和垂直方向中二維加寬。因此，在本實(shí)施例的顯示設(shè)備中，可以相對(duì)于顯示屏幕在二維中改變視角。因?yàn)榇藭r(shí)從光源設(shè)備發(fā)射的光線在正向中具有二維方向性，所以使由于百葉窗造成的光損耗保持絕對(duì)最小，并且可以大大提高寬角度顯示期間的亮度。
在本實(shí)施例中，當(dāng)使用具有正交排列層的百葉窗時(shí)，使用在正向中發(fā)射具有二維高方向性的光的光源是尤其重要的。這是因?yàn)楫?dāng)從光源設(shè)備發(fā)射的光的方向偏離正向(+Z方向)時(shí)，百葉窗吸收的光通量數(shù)量增加，并且光利用效率降低。本實(shí)施例除了上述效果之外的其他效果與前述第一實(shí)施例相同。
本實(shí)施例中使用的百葉窗具有兩個(gè)正交排列的層，但是相交角度，具體地，頂層和底層中的透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向彼此之間所形成的角度不限于直角，并且可以按需設(shè)置不同角度。然而，使用正交排列可以獲得XY平面中最為各向同性的方向性。百葉窗還是由兩層形成的，但是也可以使用圓形透明區(qū)域112a在吸收區(qū)域112b中排列為矩陣的百葉窗，如圖24所示。還可以使用這樣的百葉窗，其中方形透明區(qū)域112a在吸收區(qū)域112b中排列為矩陣，如圖25所示。通過(guò)這種配置，可以由一層來(lái)增加二維中的方向性，這允許獲得比使用兩個(gè)百葉窗層的情形中更薄的顯示設(shè)備。透明區(qū)域排列為矩陣的方向可以設(shè)置為相對(duì)于X-Y軸的不同角度。由此可以減小與顯示面板的相互影響而生成的波紋。從光入射方向觀察時(shí)透明區(qū)域的形狀可以是不同于矩形或圓形的形狀，并且例如可以是橢圓形或矩形。
接著描述根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。圖26是示出了本實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；圖27是示出了本實(shí)施例的光源設(shè)備的光源單元的立體圖。如圖27所示，在本實(shí)施例的光源單元12中，當(dāng)從光波導(dǎo)3觀察時(shí)，在-Z方向中如此安裝了反射板8，使其面對(duì)光波導(dǎo)3的光漫射表面44。反射板8向著光波導(dǎo)3反射由于散射及其他原因從光波導(dǎo)3的光漫射表面44發(fā)射的光。本實(shí)施例的配置中除了上述之外的其他方面與前述第二實(shí)施例相同。
使用商用射線跟蹤仿真器以與第一實(shí)施例相同的方式來(lái)執(zhí)行計(jì)算機(jī)仿真，以便研究上述設(shè)計(jì)的有效性。光學(xué)模型與第一實(shí)施例中相同，除了在光波導(dǎo)3的-Z方向中安裝了反射板8。圖28和29是分別示出了在光源開(kāi)啟時(shí)從光波導(dǎo)發(fā)射以及從錐體片發(fā)射期間的光強(qiáng)度分布的極坐標(biāo)圖，其中示出了X方向和Y方向。圖30是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強(qiáng)度分布中X軸方向的亮度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度。圖31是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強(qiáng)度分布中Y軸方向的亮度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且垂直軸代表光強(qiáng)度。
如圖28所示，在從光波導(dǎo)發(fā)射期間，在偏離Z軸65度的方向中出現(xiàn)光強(qiáng)度分布的峰值，并且相對(duì)于本發(fā)明的第一實(shí)施例方向性沒(méi)有下降。如圖30和31所示，在從錐體片發(fā)射期間，在X軸方向和Y軸方向中，光強(qiáng)度分布都是聚焦在30度之內(nèi)，并且與其中沒(méi)有提供反射板的本發(fā)明第一實(shí)施例相比強(qiáng)度增加。具體地，可以更有效地利用來(lái)自光源的光而不會(huì)危及方向性。通過(guò)這種配置，可以使由于百葉窗造成的光損耗保持絕對(duì)最小，并且可以大大提高寬角度顯示期間的亮度。當(dāng)應(yīng)用本發(fā)明第一實(shí)施例中所述的一維百葉窗時(shí)，也可以獲得相同的亮度提高效果。本實(shí)施例除了上述效果之外的其他效果與前述第二實(shí)施例相同。
接著描述根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。圖32是示出了本實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖。如圖32所示，在本實(shí)施例的顯示設(shè)備23中，直接在光源單元13中的百葉窗212上形成錐體64。具體地，百葉窗和錐體片一體形成。本實(shí)施例的配置中除了上述之外的其他方面與前述第三實(shí)施例相同。
在如此配置的第四實(shí)施例中，不僅與第三實(shí)施例的顯示設(shè)備一樣大大提高了寬角度顯示期間的亮度，而且將錐體直接形成在百葉窗上使得可以減小光源設(shè)備、顯示設(shè)備以及終端設(shè)備的厚度。還可以放置錐體片和百葉窗彼此靠近放置時(shí)出現(xiàn)的干涉條紋。本實(shí)施例的其他效果與前述第三實(shí)施例相同。
接著描述根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備及光學(xué)部件。圖33是示出了本實(shí)施例的顯示設(shè)備的截面圖；并且圖34是示出了本實(shí)施例的百葉窗的立體圖。如圖33所示，在本實(shí)施例的顯示設(shè)備24中，直接在光源單元14中的百葉窗213上形成錐體64，并且錐體64不傾斜，與第一實(shí)施例相同。如圖34所示，向百葉窗213的每一層所提供的帶狀吸收區(qū)域112b的側(cè)面相對(duì)于Z軸方向以偏離Z軸11度的傾斜角度傾斜。本實(shí)施例的配置中除了上述之外的其他方面與前述第三實(shí)施例相同。
在如此配置的第五實(shí)施例中，因?yàn)殄F體64的母線(中軸)與Z軸方向平行，所以從光波導(dǎo)發(fā)射、被錐體片折射及全反射的光線沿著偏離Z軸方向大約11度的方向傳播。百葉窗的吸收區(qū)域的側(cè)面也是偏離Z軸方向11度。因?yàn)榘偃~窗中透明區(qū)域和吸收區(qū)域之間的邊界實(shí)質(zhì)上與光從錐體片的發(fā)射方向?qū)?zhǔn)，所以百葉窗可以透射從錐體片發(fā)射的最大量的光，具體地，沿著偏離Z軸方向11度的方向傳播的光。通過(guò)這種配置，可以進(jìn)一步減小由百葉窗帶來(lái)的光損耗，并且可以大大提高寬角度顯示期間的亮度。本實(shí)施例的其他效果與前述第四實(shí)施例相同。
本發(fā)明可以適于用作移動(dòng)電話、PDA、游戲設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)或其他移動(dòng)終端設(shè)備的顯示設(shè)備，以及用作筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)或其他終端設(shè)備的顯示設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種光源設(shè)備，包括光源；光引導(dǎo)部件，用于沿著第一方向發(fā)射從所述光源入射的光，其中所述第一方向不同于光的入射方向；光學(xué)部件，用于沿著第二方向發(fā)射從所述光引導(dǎo)部件入射的光，其中所述第二方向不同于所述第一方向；光方向調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)從所述光學(xué)部件入射的光的方向，并且發(fā)射光；以及透明/散射狀態(tài)切換元件，能夠在透射從所述光方向調(diào)節(jié)元件入射的光的狀態(tài)與散射光的狀態(tài)之間切換；其中所述光源沿著所述光引導(dǎo)部件的光入射表面放置；所述光學(xué)部件在其光入射表面上具有二維排列的多個(gè)光學(xué)元件；并且入射光沿著與包括所述入射方向和所述第一方向的平面正交的方向發(fā)射，并具有增加的方向性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源設(shè)備，其中所述光學(xué)部件具有由透明材料構(gòu)成的平板；所述光學(xué)元件形成在所述平板上，并且包括由透明材料形成的多個(gè)圓錐體；所述圓錐體形成在所述平板上面對(duì)所述光引導(dǎo)部件的表面上；并且所述圓錐體的中軸彼此平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光源設(shè)備，其中包括所述光學(xué)部件中的所述圓錐體的頂點(diǎn)的一行的相不同于其他行的相。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光源設(shè)備，其中將所述圓錐體的頂點(diǎn)連接起來(lái)的假想直線的方向平行于所述平板的表面，并且包括三個(gè)彼此不同的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中所述圓錐體的中軸相對(duì)于與所述平板的表面相垂直的方向傾斜，從而所述第二方向垂直于所述平板的表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中在所述平板中沒(méi)有形成所述圓錐體一側(cè)的表面上形成漫射圖案，用于漫射透射光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中所述光源包括點(diǎn)光源；并且在所述光引導(dǎo)部件上來(lái)自所述點(diǎn)光源的光入射的表面上形成用于漫射光的漫射圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中所述光引導(dǎo)部件包括光波導(dǎo)，所述光從其側(cè)面入射到所述光波導(dǎo)，并且在所述光波導(dǎo)中面對(duì)所述光學(xué)部件的光發(fā)射表面相反側(cè)的表面上形成傾斜表面，所述傾斜表面相對(duì)于所述光發(fā)射表面向著所述光源側(cè)傾斜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光源設(shè)備，其中所述光源沿著所述光波導(dǎo)的所述表面放置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，包括反射片，當(dāng)從所述光引導(dǎo)部件觀察時(shí)，所述反射片位于所述光學(xué)部件所處一側(cè)相反的一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中在所述光方向調(diào)節(jié)元件中沿著與光的入射方向相交的方向以交替方式排列用于透射所述光的透明區(qū)域以及用于吸收所述光的吸收區(qū)域；并且所述光方向調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)所述排列方向中光的角度范圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光源設(shè)備，其中所述光方向調(diào)節(jié)元件具有彼此層疊在一起的第一和第二層，所述第一層中所述透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向與所述第二層中所述透明區(qū)域和吸收區(qū)域的排列方向正交。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中當(dāng)從所述光方向調(diào)節(jié)元件中的光的所述入射方向觀察時(shí)，用于透射光的所述透明區(qū)域在用于吸收光的所述吸收區(qū)域中排列為矩陣形式。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光源設(shè)備，其中當(dāng)從光的所述入射方向觀察時(shí)，所述透明區(qū)域的形狀為圓形、橢圓形、方形或矩形。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光源設(shè)備，其中所述透明區(qū)域和所述吸收區(qū)域之間的邊界平行于所述第二方向。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光源設(shè)備，其中所述透明區(qū)域的排列方向相對(duì)于所述光學(xué)元件的排列方向傾斜。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中所述光方向調(diào)節(jié)元件與所述光學(xué)部件一體形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中所述光源沿著所述光引導(dǎo)部件的光入射表面放置。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源設(shè)備，其中沿著所述光引導(dǎo)部件的光入射表面放置的光源是冷陰極管。
20.一種顯示設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光源；以及顯示面板，用于通過(guò)透射從所述光源發(fā)射的光，將圖像與光關(guān)聯(lián)起來(lái)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的顯示設(shè)備，其中所述顯示面板的像素排列方向相對(duì)于所述光學(xué)元件的排列方向傾斜。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的顯示設(shè)備，其中所述顯示面板是液晶面板。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的顯示設(shè)備，其中所述液晶面板根據(jù)橫向場(chǎng)原理、多域垂直對(duì)準(zhǔn)原理或者膜補(bǔ)償TN原理操作。
24.一種終端設(shè)備，包括根據(jù)權(quán)利要求20或21中任一項(xiàng)所述的顯示設(shè)備。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的終端設(shè)備，包括移動(dòng)電話、個(gè)人信息終端、游戲設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻播放器、筆記本型個(gè)人計(jì)算機(jī)、自動(dòng)取款機(jī)或者自動(dòng)售貨機(jī)。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的終端設(shè)備，包括移動(dòng)電話，其中所述光源位于顯示屏幕的頂部或底部。
27.一種光學(xué)部件，包括光方向調(diào)節(jié)元件，用于調(diào)節(jié)入射光的方向，并出射光；和在所述光方向調(diào)節(jié)元件上一體形成的、由透明材料構(gòu)成的多個(gè)圓錐體。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的光學(xué)部件，其中包括所述圓錐體的頂點(diǎn)的一行的相不同于其他行的相。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的光學(xué)部件，其中將所述圓錐體的頂點(diǎn)連接起來(lái)的假想直線的方向平行于所述光方向調(diào)節(jié)元件的表面，并且包括三個(gè)彼此不同的方向。
30.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的光學(xué)部件，其中所述圓錐體的中軸相對(duì)于與所述光方向調(diào)節(jié)元件的表面相垂直的方向傾斜。
31.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的光學(xué)部件，其中所述光方向調(diào)節(jié)元件中所述光線調(diào)節(jié)方向相對(duì)于光入射表面的法線方向傾斜。
全文摘要
公開(kāi)了一種光源設(shè)備、顯示設(shè)備、終端設(shè)備以及光學(xué)部件。在顯示設(shè)備中，依次提供了光源單元、百葉窗、透明/散射狀態(tài)切換元件以及透射液晶面板，向光源單元提供了光波導(dǎo)和錐體片，并且光源放置在光波導(dǎo)的側(cè)面。將光波導(dǎo)的光出射表面制成平坦，并且在光漫射表面中形成傾斜表面，其相對(duì)于光出射表面向著光源側(cè)傾斜。向錐體片提供平板，并且在平板的光入射表面上二維排列多個(gè)圓錐體。這些圓錐體的中軸彼此平行。透明/散射狀態(tài)切換元件能夠在透射入射光的狀態(tài)與散射入射光的狀態(tài)之間切換。通過(guò)這種配置，獲得了高方向性、高亮度并且對(duì)于光源安裝位置沒(méi)有限制的光源設(shè)備。
文檔編號(hào)G02F1/1335GK1841163SQ20061007160
公開(kāi)日2006年10月4日 申請(qǐng)日期2006年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月28日
發(fā)明者上原伸一, 今井雅雄 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社