专利名称：采用微型自然光收集器的节能移动终端的制作方法
技术领域：
本发明涉及直接利用自然光作为光源的移动终端，特别是采用光学元件进行专 门设计的微型自然光收集器，将自然光经过汇聚、收集、传输等光学过程得到需要的光 源，用于移动终端的显示部件的背景光源。
背景技术：
自然光是自然界最清洁的能源，人们对于自然光的认识和利用也在不断探索中。 目前人们热衷研究的光伏电池或太阳能电池是将光能转化为电能储存起来，主要利用的 是自然光的热红外光谱区，将光谱中的热能进行转化，对于可见光谱没有进行转化。然 后利用储存的电能去驱动电发光设备提供照明或为其他设备提供电能。单纯从自然光 一〉电能一〉发光照明过程来看，进行照明的这个需求并没有通过直接利用自然光的可 见光，而是利用了自然光的热红外光，显然效率不高。
在很多电子设备的显示系统也需要光源，如液晶显示器，其背光光源是液晶显示 器耗电最多的部件，如果能够将自然光直接引入电子设备作为发光光源，将极大降低液 晶显示器的耗电量，从而提高电子设备如笔记本电脑、移动终端等设备的电池使用时间。
在公开号为CN101174027A，
公开日期为2008年5月7日的中国专利申请公布说 明书公开了一种采用自然光收集器设计方法，并将自然光收集器获得的光能传导到电子 系统中，作为电子系统的光源，如作为显示器的背光光源。但该技术方案中，为了提高 自然光收集器的收集效果，需要增大自然光收集器的光接受面，同时为了使光线汇聚， 需要后准直为平行光线，汇聚透镜与准直透镜的焦点需要重合，使自然光收集器的宽度 与厚度加大，而且其结构形状不灵活，显然不适宜以移动终端设备移动使用的需要。
发明内容
本发明所要解决的问题是如何解决自然光收集器的尺寸与厚度问题，使其可以应 用于移动终端中，以达到既不增加太多的移动终端体积，又能节省移动终端消耗的能源， 提高移动终端的可用性。
为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 以自然光作为光源的自然光收集器，是将自然光经过光学汇聚、准直、传输过程变成可以控制照射区域的光。为了使自然光收集器在整体上的适合移动终端便携性的需 求，采用微型透镜设计微型自然光收集器，然后将多个微型自然光收集器组合成一个微 型自然光收集器阵列，这样达到在相同光学接收面积下，微型自然光收集器阵列的厚度 可以远远小于现有技术中的自然光收集器。对于有显示部件的移动终端而言，可以将微 型自然光收集器阵列嵌入到移动终端外部结构中除了按键和显示屏的其它区域，并且可 以在多个区域分别嵌入微型自然光收集器阵列。为了避免人们正常使用中手握移动终端 时不遮盖微型自然光收集器阵列的自然光接收面，最好是将微型自然光收集器阵列嵌入 在移动终端正面显示屏的四个边框区域内，或者嵌入在移动终端的显示屏相应的侧面区 域。更进一步，为了避免自然光的红外部分光线在移动终端中产生热效应，最好是在光 线进入微型自然光收集器阵列之前由红外光过滤光学元件过滤掉自然光中的红外光线。
更进一歩的描述如下-
1. 一种移动终端，包括用于显示信息的显示部件，其特征是-
在移动终端外部结构的至少一个区域内安装至少一个微型自然光收集器；
将所述微型自然光收集器收集的自然光通过光导传输到所述显示部件中作为所述 显示部件的发光光源。
2. 所述的微型自然光收集器的第一种解决方案是包含至少一个微型自然光收集部件， 所述微型自然光收集部件包括-一个采用微型透镜汇聚自然光的第一光学元件； 一个采用微型透镜准直第一光学元件所汇聚的光线的第二光学元件； 一个传输第二光学元件所透射光的第三光学元件；通常为光纤或光缆； 所述第一光学元件与第二光学元件并排放置，第三光学元件与第二光学元件光学连
接；
所述第一光学元件与第二光学元件的光学轴线重合，光学焦点位置重叠，且第一光 学元件的光学面大于第二光学元件的光学面。
多个微型自然光收集部件可以组合排列在一起形成多种形状的微型自然光收集器， 如矩形、圆形、椭圆形等，以适应微型自然光收集器在移动终端不同位置区域嵌入 时的形状要求。
3. 更进一步是第一种微型自然光收集器的解决方案还包含红外光过滤第四光学元件，
5自然光进入所述第一光学元件之前先经过所述第四光学元件过滤掉自然光中的红 外光线。
4. 所述的微型自然光收集器的第二种解决方案包含至少一个微型自然光收集部件，所 述微型自然光收集部件包括
由多个微型透镜制作在一个光学平面板上汇聚自然光的第一光学元件；
由多个微型透镜制作在一个光学平面板上准直第一光学元件所汇聚的光线的第二 光学元件；
一个传输第二光学元件所透射光的第三光学元件；通常为光纤或光缆； 所述第一光学元件与第二光学元件并排放置，第三光学元件与第二光学元件光学连
接；
所述第一光学元件的至少一个微型透镜与第二光学元件的至少一个微型透镜的光 学轴线重合，光学焦点位置重叠，且第一光学元件的微型透镜的光学面大于第二光 学元件的微型透镜的光学面。
最佳的技术方案是所述第一光学元件的微型透镜数量与第二光学元件的微型透镜 数量相等，在平面板上排列位置和间距相同，达到第一光学元件的每个微型透镜与 第二光学元件对应位置的一个微型透镜的光学轴线重合，光学焦点位置重叠。
所述第一光学元件与第二光学元件的平面板可以做成多种形状，如矩形、圆形、椭 圆形等，以适应微型自然光收集器在移动终端不同位置区域嵌入时的形状要求。
5. 更进一步是第二种微型自然光收集器的还包含红外光过滤第四光学元件，自然光进 入所述第一光学元件之前先经过所述第四光学元件过滤掉自然光中的红外光线。
6. 根移动终端外部结构的非键盘区和非显示屏区都可以嵌入微型自然光收集器，但为 了避免手握移动终端时遮挡自然光进入微型自然光收集器，优选的是在显示部件的 显示屏正面的边框区域或移动终端的侧面区域。可以根据这些区域的形状特征安装 一个或多个微型自然光收集器。
7. 为了使移动终端在各种光照环境下使用，在没有自然光时，还应该使用移动终端的 电驱动发光光源进行工作， 一种解决方案是在上述的解决方案中还包含原有的电驱 动发光光源和手动调节部件，所述手动调节部件与移动终端的处理器连接，当自然 光充足时，以微型自然光收集器的光为主要光源；当自然光暗淡时，以原有的电驱动发光光源为主要光源，由操作者通过手动调节部件进行控制。
8.为了使移动终端在各种光照环境下使用，在没有自然光时，还应该使用移动终端的 电驱动发光光源进行工作，另一种解决方案是还包含原有的电驱动发光光源和自动 感光调节部件，所述自动感光调节部件与移动终端的处理器连接，当自然光充足时， 以微型自然光收集器的光为主要光源；当自然光暗淡时，以原有的电驱动发光光源 为主要光源，由自动感光调节部件根据自然光的亮度进行自动控制。
上述过滤掉红外光线的红外光过滤第四光学元件；典型的是太阳膜，在汽车装饰、 房屋装饰的窗户上经常使用的一种光学膜，能够使自然光中的具有热性能的红外光被太 阳膜反射，而使大部分的可见光透射的光学膜。经过该光学元件的处理，可以过滤自然 光中的红外光谱，减少自然光在光收集器上汇聚时产生的热效应。在3M公司的产品中 也有该种光学隔热膜，如3M的晶锐膜(3MCystalline)，隔热效果较好，可以过滤90% 以上的热红外光谱的光线能量。
本发明的有益效果是由于所采用微型自然光收集器，可以实现相同光学面尺寸较 小的厚度，同时可以把微型自然光收集器设计成各种形状，以适应在移动终端不同结构 区域的嵌入，真正实现将自然光引入移动终端，节省移动终端的电能消耗，延长移动终 端的可用时间。而且通过与移动终端的原有电驱动光源系统进行有效整合，保证移动终 端白天节能、夜间利用电能仍可使用的综合能效系统。
图1是采用微型凸透镜组合光学元件实现微型自然光收集部件的一种实现的示意图。
图2是微型自然光收集器的一种实现方案的示意框图。 图3是微型自然光收集器的另一种实现方案的示意框图。 图4是多层结构的微型自然光收集器的微透镜阵列结构示意图。 图5是将微型自然光收集器嵌入到移动终端正面显示屏的四个边框上的示意图。 图6是将微型自然光收集器嵌入到移动终端显示屏的侧面上的示意图。 图7是采用微型自然光收集器提供光源与移动终端内部原有光源整合的实现原理 示意图。
图8是采用微型自然光收集器提供光源与移动终端内部原有光源整合的另一个实
7现原理示意图。
具体实施方式
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以下结合附图对本发明的结构原理和工作原理进行详细说明。
图1是采用微型凸透镜组合光学元件实现微型自然光收集部件的一种实现的示意 图，自然光102照射到凸透镜101上，由于太阳光等自然光距离地球很远，可以把太阳 光看成是平行光线，根据光学原理，平行光线经过凸透镜101折射后汇聚到凸透镜101 的焦点106 (单倍焦距位置处)处，然后再使用一个光学面远小于凸透镜101的另一个 凸透镜103接收汇聚的光，为了使经过凸透镜103的光线成为汇聚的平行光107，需要 将凸透镜103的焦点与凸透镜101的凸透镜焦点重合，光学轴线重合，如图中的焦点 106处。然后将从凸透镜103射出的平行光107导入一束光纤或光缆104中进行传输， 由于入射光线为平行光线，直射入光导传输的光纤或光缆104中，可以保证在光纤或光 缆104中的管壁上实现完全全反射，提高传输效率，同时从光纤或光缆104射出的光线 105就是经过汇聚收集和传输得到的一束高亮度光。凸透镜103的焦距、光学面大小与 凸透镜101的焦距、光学面大小选择满足如下条件
凸透镜103和凸透镜101都采用圆形凸透镜；
凸透镜103和凸透镜101光学轴线重合；
设定凸透镜101的焦距为fl，光学面大小用凸透镜的直径来标记dl; 设定凸透镜103的焦距为f2，光学面大小用凸透镜的直径来标记d2;
满足关系式为
dl:fl=d2:f2，或 dl承f2 = d2 * fl 且dl〉d2。
实际实现中，dl越大，接收自然光的照射面越大，汇聚的太阳光也就越多，同时 价格会越高。d2的大小与进行光导传输的光纤或光缆104的有效传输截面相关。选择 时保证经过凸透镜103折射射出的光线全部射入光纤或光缆104内的光导元件中。由于 光纤具有可弯曲、光导传输效率高的特点， 一种实现方案是采用多根光纤形成的光纤电 缆进行传输，可以在传输过程中使光纤线缆按需要的角度和形状布线，有利于光的传 输。为了使微型自然光收集部件的厚度减小，凸透镜103和凸透镜101的直径和焦距都
8然光收集部件并排形成阵列可以增大光学接收面尺寸而不增加厚 度。
制造多个微型自然光收集部件并排形成的阵列，有多种形式， 一种是将用于汇聚 光线的多个微型透镜按一定间隔制造在第一个光学平面板上，并使第一个光学平面板上 的微型透镜的焦距基本相等，同时将用于准直光线的多个微型透镜按相同降格制造在第 二个光学平面上，并使第二个光学平面板上的微型透镜的焦距基本相等，然后将第一个 光学平面板与第二个光学平面板叠层在一起，使第一个光学平面板与第二个光学平面板 的间距等于第一个光学平面板上的微型透镜的焦距加上第二个光学平面板上的微型透 镜的焦距，而且使第一个光学平面板的微型透镜与第二个光学平面板对应位置的微型透 镜光学轴线重合。参见图2，第一个光学平面板200上制作了两个微型透镜第一微型 透镜201、第二微型透镜204;第二个光学平面板205上制作了两个微型透镜第三微 型透镜202、第四微型透镜206;其中第一微型透镜201和第二微型透镜204的焦距相 等，第三微型透镜202和第四微型透镜206的焦距相等；第一微型透镜201与第三微型 透镜202的光学轴线重合，第二微型透镜204与第四微型透镜206的光学轴线重合。第 一个光学平面板200与第二个光学平面板205的间距等于第一微型透镜201的焦距加上 第三微型透镜202的焦距。通过第三微型透镜202准直的平行光线通过光纤203传送到 光缆208中，通过第四微型透镜206准直的平行光线通过光纤207也传送到光缆208 中。
另一种制造多个微型自然光收集部件并排形成的阵列方式，单独制造具有相同规 格的每个独立的微型自然光收集部件，然后通过透明粘合剂粘结在一起形成微型自然光 收集部件的阵列。每个独立的微型自然光收集部件包含汇聚光线的透镜和准直光线的透 镜，并使汇聚光线的透镜的焦点和准直光线的透镜的焦点重合，汇聚光线的透镜和准直 光线的透镜光学轴线重合。参见图3，第一微型自然光收集部件300由汇聚自然光线的 第一微型透镜301、准直光线的第二微型透镜302和光纤303构成，第一微型透镜301 与准直光线的第二微型透镜302的光学轴线重合、焦点重合；第二微型自然光收集部件 305由汇聚自然光线的第三微型透镜304、准直光线的第四二微型透镜306和光纤307 构成，第三微型透镜304与准直光线的第四微型透镜306的光学轴线重合、焦点重合； 第一微型自然光收图4是多层结构的微型自然光收集器的微透镜阵列结构示意图。第一层401是在 光学面板上制造了多个汇聚自然光的透镜402，第二层403是在光学面板上制造了多个 准直光线的透镜404，第三层405是由多个带光纤接口 406形成光纤面板。实际制造中， 第一层401上的透镜402的数量、间距与第二层403上的透镜404的数量、间距相同， 且与第三层405的光纤接口 406的数量、间距相同。三层叠合时，使第一层401的透镜 402与第二层403上对应的透镜404光学轴线重合，并使第一层401与第二层403之间 间距控制在透镜402的焦点与透镜404的焦点重合；第三层405上的光纤接口 406与第 二层403上对应的透镜404光学轴线重合，使光线能够从透镜404传递到光纤中。第三 层的光线通过光纤汇聚到光缆407中。为了减少自然光中的红外光的热效应对于移动终 端的影响，在第一层401的外表面增加一层红外光过滤薄膜(在图中没有画出)，经过 红外光过滤薄膜过滤掉大部分具有热效应的热红外光，减少后面光学元件的温度变化， 可以采用3M的晶锐膜(3MCystalline)。
由于目前移动终端的光源通常是由移动终端内部的电发光光源提供，为了使移动 终端在自然光充足条件下使用自然光作为光源，在自然光不够时使用内部电发光光源作 为光源，需要将两种光源通过光学方式进行整合。图7是采用自然光收集器提供光源与 移动终端内部原有光源整合的实现原理示意图。在该实现实例中，来自上述自然光收集 器的光线可以经过光纤或光缆传输引入移动终端内部作为自然光光源的光线701以45 度入射角照射到由光学全反射面构成的反射壁702上，经过反射，以135度出射角射出 照射到用于光线混合的凸透镜706上，由凸透镜706的折射输出光707;同时来自移动 终端内部电发光光源705的光线经过全反射光学曲面704的反射成为一束准直光线以 45度入射角照射到由光学全反射面构成的反射壁703上，经过反射，以135度出射角 射出照射到用于光线混合的凸透镜706上，由凸透镜706的折射输出光707。经过这样 的光学处理，两种光源的光混合成为一束光线作为移动终端内部的光源。当自然光充足 时，可以关闭移动终端内部电发光光源705，仍然保证移动终端的工作，极大地降低了 能源消耗。在自然光不充足时，如夜间，可以开启移动终端内部电发光光源705，保证 移动终端继续按原来的方式运行。当全反射光学曲面704为抛物曲面时，通常移动终端 内部电发光光源705位于全反射光学曲面704的光学焦点处以获得最大光学反射效果。
专利号为97193360. X题为"LCD投影器用的偏振照明系统"的专利公开文件披露 了将多种光源汇聚为单一光源的方法，该专利申请已经"公布后撤回"，作为公知技术，其公开的"将两束准直光束从空间进行积分的物品"方案作为本文进行两束光汇聚为一束光的实现方案进行引用。图8是采用自然光收集器提供光源与移动终端内部原有光源整合的另一个实现原理示意图。在这个实现当中，采用引用专利申请公告中所述的空间积分器元件把采用自然光收集器提供光源与移动终端内部原有光源整合形成一个单一光源。来自上述自然光收集器的光线可以经过光纤或光缆传输引入移动终端内部作为自然光光源的光线701射入空间积分器元件801，同时移动终端内部原有光源705的光线经过全反射光学曲面704的反射成为一束准直光线射入空间积分器元件801，然后经过正圆柱形菲涅耳透镜804和负的圆柱形透镜802变成混合的准直光源作为移动终端的光源803。经过这样的光学处理，两种光源的光混合成为一束光线作为移动终端内部的光源。当自然光充足时，可以关闭移动终端内部电发光光源705，仍然保证移动终端的工作，极大地降低了能源消耗。在自然光不充足时，如夜间，可以开启移动终端内部电发光光源705，保证移动终端继续按原来的方式运行。当全反射光学曲面704为抛物曲面时，通常移动终端内部电发光光源705位于全反射光学曲面704的光学焦点处以获得最大光学反射效果。
图5是将微型自然光收集器嵌入到移动终端正面显示屏的四个边框上的示意图。图中移动终端外部结构包含两个主要部分是显示屏区域500和按键区域505，在移动终端正面显示屏的四个边框上分别嵌入第一微型自然光收集器501、第二微型自然光收集器502、第三微型自然光收集器503、第四微型自然光收集器504。由于微型自然光收集器可以制成各种形状，因而可以根据各种移动终端的外部结构来确定嵌入微型自然光收集器的数量和形状。
图6是将微型自然光收集器嵌入到移动终端显示屏的侧面上的示意图。图中移动终端外部结构包含两个主要部分是显示屏区域600和按键区域605，在移动终端侧面分别嵌入第五微型自然光收集器601、第六微型自然光收集器602。由于微型自然光收集器可以制成各种形状，因而可以根据各种移动终端的外部结构来确定嵌入微型自然光收集器的数量和形状。
权利要求1. 一种移动终端，包括用于显示信息的显示部件，其特征是在移动终端外部结构的至少一个区域内安装至少一个微型自然光收集器；将所述微型自然光收集器收集的自然光通过光导传输到所述显示部件中作为所述显示部件的发光光源。
2. 根据权利要求1所述的移动终端，其特征是所述的微型自然光收集器包含至少一个 微型自然光收集部件，所述微型自然光收集部件包括-一个采用微型透镜汇聚自然光的第一光学元件；一个采用微型透镜准直第一光学元件所汇聚的光线的第二光学元件； 一个传输第二光学元件所透射光的第三光学元件；所述第一光学元件与第二光学元件并排放置，第三光学元件与第二光学元件光学连接；所述第一光学元件与第二光学元件的光学轴线重合，光学焦点位置重叠，且第一光 学元件的光学面大于第二光学元件的光学面。
3. 根据权利要求2所述的移动终端，其特征是还包含红外光过滤第四光学元件，自然 光进入所述第一光学元件之前先经过所述第四光学元件过滤掉自然光中的红外光 线。
4. 根据权利要求1所述的移动终端，其特征是所述的微型自然光收集器包含至少一个 微型自然光收集部件，所述微型自然光收集部件包括 由多个微型透镜制作在一个光学平面板上汇聚自然光的第一光学元件；由多个微型透镜制作在一个光学平面板上准直第一光学元件所汇聚的光线的第二 光学元件；一个传输第二光学元件所透射光的第三光学元件；所述第一光学元件与第二光学元件并排放置，第三光学元件与第二光学元件光学连接；所述第一光学元件的至少一个微型透镜与第二光学元件的至少一个微型透镜的光 学轴线重合，光学焦点位置重叠，且第一光学元件的微型透镜的光学面大于第二光 学元件的微型透镜的光学面。
5. 根据权利要求4所述的移动终端，其特征是还包含红外光过滤第四光学元件，自然 光进入所述第一光学元件之前先经过所述第四光学元件过滤掉自然光中的红外光 线。
6. 根据权利要求1所述的移动终端，其特征是所述移动终端外部结构的至少一个区域 为显示部件的显示屏正面的边框区域或移动终端的侧面区域。
7. 根据权利要求2至5任一项所述的移动终端，其特征是所述第三光学元件为光纤或 光缆。
8. 根据权利要求1至6任一项所述的移动终端，其特征是还包含原有的电驱动发光光 源、手动调节部件和/或自动感光调节部件，所述手动调节部件和/或自动感光调节 部件与移动终端的处理器连接，当自然光充足时，以微型自然光收集器的光为主要 光源；当自然光暗淡时，以原有的电驱动发光光源为主要光源，由操作者通过手动 调节部件进行控制或由自动感光调节部件根据自然光的亮度进行自动控制。
9. 根据权利要求8所述的移动终端，其特征是来自所述微型自然光收集器的光线和来 自所述原有的电驱动发光光源的光线分别以45度入射角照射到由光学全反射面构 成的反射壁上，经过反射，以135度出射角射出照射到用于光线混合的凸透镜上， 由凸透镜的折射输出光线作为移动终端的光源。
10. 根据权利要求8所述的移动终端，其特征是来自所述型自然光收集器的光线和来自 所述原有的电驱动发光光源的光线通过空间积分器元件整合形成一个单一光源作 为移动终端的光源。
专利摘要一种采用微型自然光收集器的节能移动终端，以自然光作为光源，在移动终端的外壳壳体上安装至少一个微型自然光收集器，每个微型自然光收集器由多个微型光学元件将自然光进行收集汇聚后通过光导传输到移动终端，作为移动终端的背光光源或发光指示光源，提供一种十分环保的移动终端技术方案；多个微型自然光收集器的光线通过光导会合成的发光光源与移动终端内部的电子发光光源融合，实现移动终端在环境光线强的环境下主要使用自然光而在环境光线弱的地方主要使用电子发光光源的节能效果，同时采用多个微型自然光收集器组合，可以使自然光收集器的厚度变薄变轻，更适合移动终端轻便小巧的需要。可以广泛应用于各种移动终端和手持设备中。
文档编号G02B6/00GK201286120SQ200820123629
公开日2009年8月5日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者清 须 申请人:北京派瑞根科技开发有限公司