专利名称：光源设备、使用其的显示设备及终端设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发射光具有增加方向性的光源设备、一种使用这种光源设备的显示设备、以及一种终端设备。
背景技术：
由于其外形薄、重量轻、尺寸小、耗能低以及其它优点，已经广泛地开发了使用液晶的显示设备，并用于一系列设备中，包括监视器、电视(TV电视)和其它大型终端设备；笔记本型个人计算机、自动取款机、自动售货机和其它中型终端设备；以及个人TV、PDA(个人数字助理个人信息终端)、移动电话、移动游戏设备和其它小型终端设备。总体上，可以根据所使用的光源的类型，将这些液晶显示设备分为透射、反射或透反(结合使用透射和反射的光)类型。由于其在显示中使用外部光，能够在反射型中减少能量消耗，但是与透射型相比，对比度和显示性能的其它方面较差。因此，当前透射和透反液晶显示设备是主流。在透射和透反液晶显示设备中，将光源设备安装在液晶面板的背面，并且利用由光源设备发射的光来产生显示。
因为安装在大型终端设备中的显示设备常常由多个用户同时观看，所以显示设备中所使用的光源设备优选地能够在宽角度中产生均匀的亮度分布。相反，安装在中小型终端设备中的显示设备常常由单个用户观看，或者同时由少数用户观看，因而其中所使用的光源设备可以仅沿着正向照射光。因此，尝试增加安装在中小型终端设备中的光源设备在正向中的方向性并减小功耗，并且某些这样的光源设备已经实际使用。
图28是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第一传统光源设备的示意立体图。如图28所示，第一传统光源设备包括光源1101；光波导1102，用于以平面方式传播并发射由光源1101发射的光；设置在光波导1102的光出射表面一侧的漫射片1103；设置在漫射片1103上的两个棱柱片1104和1105；设置在棱柱片上的漫射片1106；以及设置在光波导1102的光出射表面的相反一侧上的反射片1107。在光波导1102的表面上印刷点的形状。在两个棱柱片1104和1105中形成沿一个方向延伸的一维排列的棱柱形状。该棱柱形状的顶角是90度。还如此设置棱柱片1104和1105，使得在棱柱片1104中形成的棱柱形状的延伸方向与在棱柱片1105中形成的棱柱形状的延伸方向彼此正交。此外，如此设置棱柱片1104和1105，使得棱柱面向上(与光波导相反的一侧)。
在具有该类型的配置的第一传统光源设备中，从光源1101发射的光从光波导1102的侧面进入光波导1102，并且在光波导1102中传播。然后，一部分光被印刷的点图案散射，并从光波导1102的发射面发射。通过设置在光波导1102和棱柱片1104之间的漫射片1103，增强了从光波导1102发射的光的照度均匀比，并且光进入棱柱片1104和1105。由于棱柱片1104和1105的顶角是90度，所以方向偏离正向大约30度的角度的光线发生折射，并沿着正向行进。结果光线被聚焦在正向，并且增强了正向亮度。
图29是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第二传统光源设备的示意立体图。如图29所示，第二传统光源设备包括光源2101；光波导2102，用于以平面方式传播并发射由光源2101发射的光；设置在光波导2102的光出射表面一侧的棱柱片2103；以及设置在光波导2102的光出射表面的相反侧上的反射片2104。光波导2102是一种不光滑棱柱光波导，其中在其光出射表面上形成不光滑图案形状(图中未示出)，并且在面对反射片2104的表面上形成沿与光源的延伸方向正交的方向延伸的棱柱行。排列棱柱片2103，使棱柱面朝向光波导一侧，棱柱行的延伸方向是与线光源的延伸方向平行的方向，并且棱柱行的排列方向是与光源的延伸方向正交的方向。
在具有该类型的配置的第二传统光源设备中，从光源2101发射的光进入光波导2102并且在光波导2102中传播。然后，通过形成在光出射表面(光波导2102的棱柱片一侧的表面)中的不光滑图案，一部分光被排除在全反射的状况以外，并从光波导2102发射。从光波导2102发射的光处于略微偏离光波导2102的全反射条件的状况下，因此是高度定向的光，其在与光源正交的方向中偏离发射面的法向大约65度处具有峰值。该光进入棱柱片2103，但是被相反侧上的棱柱的倾斜面全反射，并在被入射侧上的棱柱的倾斜面折射之后沿正向方向被发射。
如上所述，由于入射到棱柱片2103的光在与光源正交的方向中具有高方向性，从棱柱片发射的光相对于与光源正交的方向也具有高方向性。另一方面，通过在光波导2102的反射片2104侧的表面中形成沿着与光源正交的方向延伸的棱柱行，可以保证在平行于光源的方向中的方向性。图30A和30B是示出了第二传统光源设备的方向性特性和第一传统光源设备的方向性特性的比较结果的图，其中水平轴表示出射角，垂直轴表示光强度。图30A示出了垂直方向的方向性，图30B示出了水平方向的方向性。图30A和30B示出了2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页中图14所述的内容。如图30A和30B所示，在第二传统光源设备中，不仅在与光源正交的方向中提高了方向性，还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传统光源设备。
图31是示出了日本待审公开专利申请9-265092的图21中所述的第三传统光源设备的示意立体图，并且图32是示出了图31中区域A的局部放大视图。如图31所示，第三传统光源设备包括光源3101；光波导3102，用于以平面方式传播并发射光源3101发射的光；传播方向特性校正元件3114，用于校正光发射方向，设置在光波导3102的光发射表面一侧；反射图案片3116，用于对入射到传播方向特性校正元件3114上的光线执行限制透射，设置在光波导3102和传播方向特性校正元件3114之间；以及反射器3103，设置在光波导3102的光发射表面的相反一侧。光波导3102是具有散射特征的光波导，其中作为基质、具有不同折射率的硅基树脂材料被均匀混合并分散在由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMApolymethyl methacrylate)构成的基体中，并且形成楔状，其厚度沿着离开光源的方向连续减小。光源3101也处于光波导3102最厚的一侧。
如图32所示，传播方向特性校正元件3114具有多个圆锥形突起3114c，并且圆锥形突起3114c是形成二维阵列的凸元件。在圆锥形突起3114c的末端上形成平坦区域3114g。平坦区域3114g平行于光波导3102的光发射表面。例如，由PMMA或其他透明树脂材料形成反射图案片3116，并且在传播方向特性校正元件3114一侧的表面上提供由Ag膜或Al膜构成、并具有镜面反射特征的反射膜3116a。在反射膜3116a中形成圆形或椭圆形开口，并且这些开口用作窗口3116w。反射膜3116a中没有被窗口3116w占据的部分，具体地，形成有Ag膜或Al膜的部分是反射部分3116r。反射图案片3116中窗口3116w的排列周期与传播方向特性校正元件3114的凸元件3114c的排列周期相同。如此设计反射部分3116r和凸元件(圆锥形突起)3114c相对于彼此的二维定位，使得阻挡光进入平坦区域3114g，从而禁止光进入平坦区域3114g之间的低谷。
在如此配置的第三传统光源设备中，从光源3101发射的光入射到光波导3102上，并在其中传播，并且严密定向的光通量从光波导3102的光发射表面沿着偏离光发射表面的法向大约60至80度的角度发射。该光通量传播的方向在与灯正交方向中的截面中以及在与灯平行方向中的截面中都有一定的展开。从光波导3102发射的光通量在透射通过反射图案片3116之后进入反射部分3116r或窗口3116w。入射到反射部分3116r的光通量向着反射图案片3116的内部反射。反射图案片3116的内表面的反射、光波导3102的光发射表面的反射、重新进入光波导3102、从光发射表面重新出射等向此反射光以及少量来自窗口3116w的反射光提供了重新进入窗口3116w的机会。由此循环且重复利用反射光。
直接入射到窗口3116w或者通过上述循环过程进入窗口3116w的大多数光穿过窗口3116w，并且以一定角度进入圆锥形突起3114c的平坦区域3114g。当光通量以一定角度进入平坦区域3114g时，光通量的平行性改善。反射图案3116抑制了向平坦区域3114g之间的低谷(空区域)的入射。以一定角度入射到传播方向特性校正元件3114的平坦区域3114g上的光通量被圆锥形突起3114c的外表面3114s的任何部分反射，并且被聚焦到几乎正向中。这种反射不会使光通量的平行性降低。聚焦到几乎正向中的光通量以基本正交的方式从传播方向特性校正元件3114的光发射表面发射。由此，可以获得能够使发射光在二维中具有方向性的光源设备。
然而，上述传统技术具有如下问题。在第一传统光源设备中，从光波导1102发射并且由漫射片1103给予了更均匀亮度的光通量被两个正交排列的棱柱片1104和1105折射。结果，增加了正向的方向性，并且两个棱柱片将方向偏离法向约30度的光线折射到正向，但是其他角度处的光线沿着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。为了在二维中增加方向性，还需要多个棱柱片，这道这光源设备厚度增加。当光源设备安装在移动终端设备中时，这种厚度增加是尤其严重的问题。
与第一传统光源设备不同，因为第二传统光源设备使用单个棱柱片，所以可以使光源设备更薄。在与光源垂直的方向中，可以获得比第一传统光源中更高的方向性，因为利用棱柱片的全反射，从光波导发射的、具有高方向性的光通量沿着正向发射。通过设置在光波导的反射片一侧、并且方向垂直于光源的棱柱行，增加了与光源平行方向中的方向性，但是在与光源垂直方向中的方向性较低，并且二维方向性的增加受到限制。
另外，在第三传统光源设备中，通过具有多个圆形开口的反射图案片3116以及具有多个圆锥形突起的传播方向特性校正元件3114，可以获得二维方向性。在前述第二传统光源设备中可以获得高方向性，因为在二维中使用了被设计用于增强与光源正交方向中的方向性的全反射原理。然而，该方法具有增加光源设备厚度的验证问题，因为需要反射图案片和用于校正传播方向特性的元件。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以做得较薄并且能够二维增加发射光的方向性的光源设备；提供一种使用该光源设备的显示设备；以及提供一种终端设备。
根据本发明的光源设备具有光源；光引导部件，用于沿着第一方向发射从光源入射的光，其中所述第一方向不同于光的入射方向；以及光学部件，用于沿着第二方向发射从光引导部件入射的光，其中所述第二方向不同于所述第一方向；其中，光学部件具有由透明材料构成的平板，以及由透明材料构成、并且形成在平板中面对光引导部件的表面上的多个圆锥体；并且这些圆锥体的中轴彼此平行。
在本发明中，光引导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，并且光学部件增加了光在与前述平面正交的方向中的方向性。因此，从光源发射的光可以具有二维增加的方向性。因为从光源发射的大部分光可以从光学部件沿着第二方向发射，所以高效率地利用光，并且光具有高亮度。另外，该结构由光引导部件和光学部件组成，这导致了较薄的设备。
包括圆锥体的顶点的一行的相(phase)可以不同于其他行的相。优选地，将圆锥体的顶点连接起来的假想直线的方向平行于平板的表面，并且包括三个彼此不同的方向。由此，可以最小化在与显示面板组合使用时波纹的出现。
优选地，圆锥体的中轴相对于与平板的表面相垂直的方向倾斜，从而所述第二方向垂直于平板的表面。由此，可以使从光源设备发射的光的亮度分布中心位于正向中。
另外，优选地在平板中没有形成圆锥体一侧的表面上形成漫射图案，用于漫射透射光。由此提高发射光的均匀性。光源还可以包括点光源，并且可以在光引导部件上来自点光源的光入射的表面上形成用于漫射光的漫射图案。由此，可以将点光源制成均匀的线光源，并且可以提高光源设备中发射光的面内分布的均匀性。
另外，光引导部件是光波导，光从其侧面入射到所述光波导，并且在光波导中面对光学部件的光发射表面相反侧的表面上可以形成倾斜表面，所述倾斜表面相对于光发射表面向着光源侧倾斜。
根据本发明的光源设备可以具有反射片，当从光引导部件观察时，所述反射片位于光学部件所处一侧相反的一侧。由此可以进一步提高光的亮度。
根据本发明的显示设备包括光源设备；以及显示面板，用于通过透射从光源设备发射的光，将图像与光关联起来。
根据本发明，从光源设备发射的光具有高方向性，因此允许增加显示设备的方向性并减小功耗。还可以减小显示设备的厚度，因为可以将光源设备做得更薄。
另外，优选地，显示面板的像素排列方向相对于圆锥体的排列方向倾斜。由此可以减少显示面板和光源设备之间出现的波纹。
根据本发明的终端设备的本质特征在于，该终端设备具有前述显示设备。该终端设备也可以是移动电话、个人信息终端、游戏设备、数码相机、摄像机、视频播放器、笔记本型个人计算机、自动取款机或者自动售货机。
当根据本发明的终端设备为移动电话时，光源优选地位于显示屏幕的顶部或底部。通过这种配置，不需要在该移动电话中的显示屏幕左右两侧保留放置光源的空间，并且同时可以在移动电话中获得薄机壳和大屏幕。
根据本发明，可以提供能做得较薄并且发射光具有高方向性的光源设备。由此，可以获得功耗低且可以做得较薄的显示设备和终端设备。
图1是示出了根据本发明第一实施例的光源设备的立体图；图2是示出了根据本发明第一实施例的显示设备的截面图；图3是示出了根据本发明第一实施例的移动终端设备的立体图；图4是示出了根据本发明第一实施例的锥体片的立体图；图5示出了光源开启情形中的光学模型的立体图；图6是沿着图5所示的线A-A的截面的光学模型图；图7是沿着图5所示的线B-B的截面的光学模型图；
图8是用于本发明第一实施例中计算机仿真的光学模型图；图9是示出了本发明第一实施例中在光源开启时的仿真结果的图，并且示出了从光波导发射时的光强度分布；图10是示出了图9所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度；图11是示出了本发明第一实施例中在光源开启时的仿真结果的图，并且示出了从锥体片发射时的光强度分布；图12是示出了图11所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且在垂直轴代表光强度；图13是示出了图11所示的光强度分布中Y轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表Y轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度；图14是示出了向光入射表面提供了漫射图案的光波导的立体图；图15是示出了向光出射表面提供了二维图案的光波导的立体图；图16是示出了根据本发明第二实施例的光源设备的立体图；图17是示出了本发明第二实施例中的锥体片在XZ平面中的截面图；图18A至18G示出了在入射到锥体片上的光线方向改变时对发射光进行仿真的结果，以便表示具有倾斜角度为10度的圆锥体的锥体片的光学操作；其中图18A、B、C、D、E、F和G分别示出了当入射角度为偏离Z轴10度、20度、30度、40度、50度、60度以及70度时的结果；图19是示出了本发明第二实施例中在光源开启时的仿真结果的图，并且示出了从锥体片发射时的光强度分布；图20是示出了图19所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且在垂直轴代表光强度；图21是示出了图19所示的光强度分布中Y轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表Y轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度；图22是示出了根据本发明第三实施例的光源设备的立体图；图23是示出了本发明第三实施例中在光源开启时的仿真结果的图，并且示出了从光波导发射时的光强度分布；图24是示出了本发明第三实施例中在光源开启时的仿真结果的图，并且具体地示出了从锥体片发射时的光强度分布；图25是示出了图24所示的锥体片发射期间光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且在垂直轴代表光强度；图26是示出了图24所示的锥体片发射期间光强度分布中Y轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表Y轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度；图27是示出了根据本发明第四实施例的显示设备的截面图；图28是示出了第一传统光源设备的立体图；图29是示出了第二传统光源设备的立体图；图30A和30B是示出了第二传统光源设备的方向性特性和第一传统光源设备的方向性特性的比较结果的图，其中水平轴表示出射角，垂直轴表示光强度；图30A示出了垂直方向的方向性；并且图30B示出了水平方向的方向性；图31是示出了第三传统光源设备的示意立体图；以及图32是示出了图31中的区域A的局部放大视图。
具体实施例方式
下面将参考附图详细描述根据本发明实施例的光源设备、使用该光源设备的显示设备、以及终端设备。首先描述根据本发明第一实施例的光源设备、使用该光学设备的显示设备、以及终端设备。图1是示出了根据本实施例的光源设备的立体图；图2是示出了使用图1所示光学设备的显示设备的截面图；图3是示出了其中安装了图2所示显示设备的移动终端设备的立体图；并且图4是示出了本实施例的光源设备中所使用的锥体片的立体图。
如图1和2所示，在第一实施例的光源设备1中提供了光波导3；位于光波导3的正面一侧(具体地，在观察者一侧)的锥体片6；以及位于光波导3侧面的光源51。光波导3的正面，具体地，锥体片6一侧的表面是光出射表面43。相反侧，具体地，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中形成相对于光出射表面43向着光源51倾斜的倾斜表面41。由此，从光源51辐射并入射到光波导3上的光直接照射倾斜表面41。光源51包括沿着侧面(光波导3中光入射到的表面)以几乎相同的间隔排列的多个LED(发光二极管)。
为了本说明书的方便，如下所述建立了XYZ正交坐标系统。从光源51到光波导3的方向为+X方向，并且相反方向为-X方向。+X方向和-X方向被统称为X轴方向。在与光波导3的光出射表面43平行的方向内，与X轴方向正交的方向是Y轴方向。另外，与X轴方向和Y轴方向都正交的方向是Z轴方向；并且在Z轴方向内，从光漫射表面44到光出射表面43的方向为+Z方向，并且相反方向为-Z方向。+Z方向是正向，具体地，向着观察者的方向。+Y方向是其中建立右手坐标系统的方向。具体地，当人的右手拇指在+X方向中，并且食指在+Y方向中时，中指在+Z方向中。
如上所述，当建立了XYZ正交坐标系统时，光波导3的光出射表面43变为XY平面，当从光波导3观察时光源51位于-X方向，并且锥体片6位于+Z方向。光源51是漫射光源，并且从光源51辐射的光在光波导3内至少在XY方向中漫射。
如图1和2所示，在光波导3的光漫射表面44中，沿+X方向依次重复排列倾斜表面41和平坦表面40。在图2中仅示出了倾斜表面41的一个实例，以便简化附图。倾斜表面41向着光源51倾斜；具体地，在从光源51发射、并且在光波导3内沿+X方向传播的光照射的方向中。例如，倾斜表面41的倾斜角度的绝对值是6度。在+X方向中，从倾斜表面41到平坦表面40的过渡的边界形成Z轴方向中的台阶。平坦表面40和倾斜表面41在光波导3的整个长度上沿着Y轴方向延伸。
如图4所示，在锥体片6中提供了由透明材料构成的平板63，并且在平板63的背面上形成了多个圆锥体64。平板63与XY平面平行，并且圆锥体64沿着-Z方向突出，即，向着光波导3突出。具体地，圆锥体64的中轴彼此平行，并且平行于Z轴方向。圆锥体64的顶点沿着两个方向排列，包括X轴方向和XY平面中相对于X轴方向成60度角度的方向。具体地，圆锥体64在平板63的光入射表面上在二维中排列，并且将圆锥体64的顶点连接起来的假想直线的延伸方向总共构成三个方向，包括Y轴方向以及XY平面中相对于Y轴方向成60度角度的方向。由此，当将三个互相邻近的圆锥体64的顶点连接起来时，形成了一边沿着Y轴方向延伸的假想等边三角形。
在一个示例中，圆锥体64的顶点在Y轴方向中等间距排列，间隔为50μm，并且由圆锥体的顶点形成的等边三角形的边长是50μm。圆锥体64的顶角是70度，并且圆锥体的高度为36μm。术语“顶角”是指由包括圆锥体64的中轴的截面中的两个锥面的边形成的角度。透明树脂适于用作光波导3和锥体片6的材料，因为其易于成形，但是在本实施例中使用折射率为1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
如图2所示，在使用了根据本第一实施例的光源设备1的显示设备2中，当从锥体片6观察时，透明液晶面板7设置在与光波导3所处一侧相反的一侧，具体地，在+Z方向一侧。
如图3所示，例如，该显示设备2安装在移动电话9中。显示设备2如此布置，使得移动电话的横向和纵向分别对应于光源设备的Y轴方向和X轴方向。具体地，移动电话9中的光源51(见图2)位于显示屏幕的顶部。光源51也可以位于显示屏幕的底部。
接着将描述如此配置的本实施例的光源设备1的操作。图5示出了光源51开启情形中的光学模型的立体图；图6是沿着图5所示的线A-A的截面图；并且图7是沿着图5所示的线B-B的截面图。线A-A沿着X轴方向延伸，并且线B-B沿着在XY平面中偏离X轴方向成30度角度的方向延伸。图6和7中仅示出了倾斜表面41的一个实例以便简化附图。
描述图6所示的沿着线A-A的截面中的光的行为。光源51发射的光入射到光波导3，但是由于空气和光波导3的树脂材料之间的折射率差异，根据Snell定理，由+X方向和光进入光波导3之后传播的方向在Z轴方向中形成的角度小于41.8度。因此，将考虑在+Z方向中相对于+X方向倾斜了41.8度的光线。
从光源51发射并指向光波导3的光线到达光波导3的光出射表面43，但是因为其相对于Z轴方向的角度是48.2度，这大于41.8度的临界角，所以光线经历全反射，而不会从光波导3出射。同样，因为当光线入射到倾斜表面41之外的其他区域时，在光漫射表面44中也是以相同角度出现全反射，所以光线远离光源51传播，同时在光出射表面43和光漫射表面44之间经历重复的全反射。在此传播期间，当光入射到相对于X轴方向倾斜6度的倾斜表面41时，偏离倾斜表面41的法线的角度是42.2度，但是因为该值大于41.8度的临界角，所以光经历全反射，而不会从倾斜表面41出射到光波导3的外部。全反射的光相对于Z轴方向的角度变为36.2度，这小于临界角。因此，到达光出射表面43的光从光波导3发射到外部，并且发射之后的角度相对于Z轴方向是62.4度。
如前所述，进入光波导3的光在入射之后相对于X轴方向总是处于41.8度或更小的角度。因此，当入射光到达光波导3的光出射表面43或光漫射表面44时，该入射光的角度相对于Z轴方向为48.2度或更高，并且光被全反射。在此光在光出射表面43和光漫射表面44中被全反射并传播通过光波导3的过程中，每当光被具有6度倾斜角度的倾斜表面41全反射时，光行进时相对于Z轴方向的角度就接近临界角，并且只要该角度变为小于临界角，光就从光出射表面43或光漫射表面44的平坦表面出射。结果，从光波导3发射的光在XZ平面中偏离+Z方向60度角度的方向中具有强方向性。
从光波导3以相对于Z轴方向为62.4度角度发射的光进入锥体片6。然而，因为圆锥体64的顶角为70度，所以光进入圆锥体64的角度是7.4度，并且圆锥体的入射面的法线与进入圆锥体64的光线的传播方向之间的角度变为4.9度。光然后到达圆锥体64的相对一侧的侧面，但是因为相对于该侧面的角度是偏离面法线65.1度，所以光经历全反射，并且沿着偏离Z轴11.1度的方向行进。根据Snell定理，从锥体片6发射的光的角度为偏离Z轴16.8度。具体地，从锥体片6发射的光在XZ平面中偏离Z轴16.8度的方向中具有强方向性。
接着描述图7所示的沿着线B-B的截面中的光的行为。如前所述，因为光源51至少在XY平面中漫射，所以与沿着线A-A的截面中相同的理论适用于沿着线B-B的截面。结果，从锥体片6发射的光具有高方向性，并且偏离+Z方向为16.8度角度。该结果不仅对线B-B如此，而且对XY平面内其他角度也相同。因此，从锥体片6发射的光在偏离+Z方向16.8度的方向中具有高方向性。具体地，光源设备1的照射角度局限在窄范围的角度中。
接着描述根据本实施例的显示设备2的操作。如图2所示，从光源设备1沿着+Z方向发射、具有高方向性的光进入透射液晶面板7，并且透射通过透射液晶面板7。此时，通过驱动透射液晶面板7，将图像与透射光关联起来。由此显示图像。
利用商用射线跟踪仿真器来执行计算机仿真，以便研究上述设计的有效性。图8是示出了该仿真中使用的光学模型的图。如图8所示，光波导3的X轴方向长度、Y轴方向宽度以及Z轴方向高度被分别设计为60mm、40mm和0.6mm，并且作为光源的发光面53被放置在光波导3的-X方向一侧的YZ平面中，从而入射方向为+X方向。发光面53的Y轴方向宽度为40mm，并且Z轴方向高度为0.5mm。使用发射Lambert光的发光面。
在光波导3的-Z方向一侧的XY平面中形成倾斜表面41。倾斜表面41从+X方向朝向+Z方向倾斜6度的角度，并且在Y轴方向中连续重复。倾斜表面41中Z轴方向的深度的最大值被设置为10μm，并且X轴方向中的间距被设置为0.2mm。
当从光波导3观察时，在+Z方向一侧提供了锥体片6，其面对下方，并且具有多个顶点面对-Z方向的圆锥体。如此布置圆锥体，使得当从-Z方向观察时，圆锥体的顶点形成等边三角形，并且其一边平行于Y轴方向。锥体顶点在Y轴方向中的间距为50μm，并且由圆锥体的顶点形成的等边三角形的边长为50μm。圆锥体的顶角被设置为70度，并且高度被设置为36μm。锥体片6的厚度(包括锥体部分)是0.1mm，并且在锥体片6的+Z方向一侧安装光接收面55，其在X轴方向的长度为10mm，并且在Y轴方向的宽度为10mm。还在光波导3与锥体片6之间安装相同大小的光接收面55，用于观察从光波导3发射的光的强度分布。使用折射率为1.5的聚甲基丙烯酸甲酯作为光波导3和锥体片6的材料。
接着描述光源开启时的光强度分布。图9是示出了在光源开启时从光波导发射期间的光强度分布的极坐标图，并且图中示出了X方向和Y方向。图10是示出了图9所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中在水平轴上绘制了X轴方向中的视角，并且在垂直轴上绘制了光强度。图11是示出了在光源开启时从锥体片发射期间的光强度分布的极坐标图，并且图中示出了X方向和Y方向。图12是示出了图11所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中在水平轴上绘制了X轴方向中的视角，并且在垂直轴上绘制了光强度。图13是示出了图11所示的光强度分布中Y轴方向的光强度分布的曲线图，其中在水平轴上绘制了Y轴方向中的视角，并且在垂直轴上绘制了光强度。在图9和11中，具有相等亮度的点由实线连接起来，并且由这些实线包围的区域按照亮度的顺序被表示为a、b、c和d。具体地，最亮的区域被表示为区域a，并且最暗的区域被表示为区域d。这同样适用于后文描述的其他极坐标图。
如图9和10所示，在从光波导发射期间，X轴方向中光强度分布的峰值出现在偏离Z轴-65度的方向中。Y轴方向的倾斜角度还是以相对均匀的方式分布。如图11至13所示，在从锥体片发射期间，在X轴方向和Y轴方向中，光强度分布都是集中在30度或更小角度。具体地，显而易见的是，光源设备的照射范围局限于窄范围的角度，并且当光源开启时光被二维聚焦。
接着将描述本实施例的效果。如上所述，在光源单元1中，因为只有光波导3和锥体片6处于厚度方向(具体地，Z轴方向)，所以可以将光源单元1制造得更薄。锥体片6的光聚焦效果使得可以增加从光源设备1发射的光在X轴方向和Y轴方向中相对于发射方向(即，+Z方向)的方向性。具体地，可以在二维中增加发射光的方向性。
根据本实施例，上述光源设备1作为光源安装在显示设备中，使得可以设计更薄的设备。光只能沿着正向照射，并且可以获得高方向性的显示。由此可以减小功耗，同时维持屏幕相对于从正向观看的观看者的亮度。另外，因为上述显示设备2作为显示设备安装在本实施例的移动终端设备中，所以可以获得薄外形和低功耗。
光波导3的倾斜表面41的倾斜角度不限于前述值，并且可以选择其他值，只要表现出相同的效果。用于光波导的材料也不限于前述材料。另外，倾斜表面的深度和间距也不限于前述值，并且可以在光波导内变化。倾斜表面的一定范围的倾斜角度也可以分布在光波导内。通过增加光波导中靠近光源的倾斜表面的间距，可以使光源设备的发光平面中的亮度分布均匀。因为只要光波导能够沿着偏离发射表面的法线方向60度的方向发射光就足够了，所以可以使用在发射表面上印刷了不光滑形状的光波导，如第二传统光源设备。也可以使用楔形散射光波导，如第三传统光源设备。
锥体片的顶角、高度、间距、厚度以及其他方面也不限于前述值，并且可以选择不同值，只要表现出相同效果。用于锥体片的材料也不限于前述材料。也可以将圆锥体的顶角放置为形成等边三角形，但是这种配置不是限制性的，并且顶点可以形成等边三角形之外的其他形状。三角形的边也不必完全平行于Y轴，并且可以相对Y轴成一定角度，以便防止显示面板的波纹。然而，X轴方向中锥体顶点的位置相优选地相对于Y轴方向是不均匀的。通过这种配置，当光源开启时由光波导发射的光与X轴方向中的相相对于Y轴方向为均匀时的情形相比，可以更高效地聚焦在Z轴方向。另外，可以向锥体片中形成了圆锥体的表面相反一侧的表面上提供漫射图案。由此可以防止显示面板出现波纹(moire)。
本发明的光源设备中所使用的锥体片中的圆锥体的末端可以被弄圆到不会严重减小二维光聚焦效果的程度。其形状不限于锥体，并且可以以相同方式应用其他形状，只要以重复方式排列精细的二维图案，并且该形状具有二维光聚焦效果。
也可以使用冷阴极管或其他线光源用作光源，并且也可以使用LED或其他点光源。尤其在使用LED时可以减小光源的厚度，但是如图14所示，向光波导的光入射表面提供漫射图案31对于将点光源制作为均匀线光源是有效的。如图15所示，可以在光波导的光出射表面43上形成二维图案32。二维图案32例如由分布在半圆区域中的多个凹陷构成。二维图案32在放置在光源附近时对于使来自光源的光变得均匀是尤其有效的。如前所述，可以将多个LED放置在光波导的光入射表面上。
本发明中所使用的显示面板不限于液晶面板，并且可以使用任何使用光源设备的显示面板。液晶面板也不限于透射型，并且可以使用在每个像素中具有透射区域的任何面板。也可以使用在每个像素的一部分中具有反射区域的透反液晶面板、各处可见透反液晶面板或者微反射液晶面板。
本实施例的显示设备可以合适地安装在移动电话或其他移动终端设备中。如前所述，因为利用本实施例的显示设备，在二维中增加了发射光的方向性，所以变得可以减小功耗。兼容的移动终端设备不仅包括移动电话，还包括PDA、游戏设备、数码相机、数码摄像机以及各种其他类型的移动终端设备。显示设备不仅可以安装在移动终端设备中，而且还可以安装在视频播放器、笔记本型个人计算机、自动提款机、自动售货机、以及其他各种类型的终端设备中。
接着描述根据本发明第二实施例的光源设备。图16是本实施例的光源设备的光源设备的立体图；并且图17是示出了本实施例的光源设备中所使用的锥体片在XZ平面中的截面图。如图16和17所示，本实施例的光源设备11具有锥体片61，而不是前述第一实施例的光源设备1(见图1)中的锥体片6。在锥体片61中，圆锥体64向着+X方向倾斜了10度。本实施例的其他方面与前述第一实施例相同。
接着将描述如此配置的本实施例的光源设备11的操作。在本实施例中，在从光源51发射的光从光波导3发射之前的操作与第一实施例相同。本实施例中锥体片61的操作与第一实施例不同。因此，将注意力集中在具有倾斜圆锥体的锥体片61的操作。图18A至18G示出了在入射到锥体片上的光线方向改变时对发射光进行仿真的结果，以便表示本实施例中所使用的、具有倾斜圆锥体的锥体片61的光学操作。图18A、B、C、D、E、F和G分别示出了当入射角度为偏离Z轴10度、20度、30度、40度、50度、60度以及70度时的结果。在图18中，带有箭头的两条双虚线指示入射光通量的外沿，并且没有箭头的实线指示发射光线。
根据图18A至18G，显而易见，当入射光的入射角度改变时，发射光沿着不同方向行进，但是特别地，入射角度偏离Z轴60度和70度的光线被偏转到正向。
通过使用商用射线跟踪仿真器以与第一实施例相同的方式来执行计算机仿真，以便对上述设计进行详细研究。光学模型与第一实施例中相同，除了圆锥体在+X方向中倾斜了10度。图19是示出了在光源开启时从锥体片发射期间的光强度分布的极坐标图，其中示出了X方向和Y方向。图20是示出了图19所示的光强度分布中X轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度。图21是示出了图19所示的光强度分布中Y轴方向的光强度分布的曲线图，其中水平轴代表Y轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度。如图19至21所示，在从锥体片发射期间，在X轴方向和Y轴方向中，光强度分布都是聚焦在30度之内，并且特别可以使中心接近正向。圆锥体的倾斜角度不限于10度，并且可以选择不同值，只要表现出相同效果。
接着描述根据本发明第三实施例的光源设备。图22是示出了本实施例的光源设备的立体图。如图22所示，在本实施例的光源设备12中，当从光波导3观察时，在-Z方向中如此安装了反射板8，使其面对光波导3的光漫射表面44。反射板8向着光波导3反射由于散射及其他原因从光波导3的光漫射表面44发射的光。本实施例的配置中除了上述之外的其他方面与前述第二实施例相同。
使用商用射线跟踪仿真器以与第一实施例相同的方式来执行计算机仿真，以便研究上述设计的有效性。光学模型与第一实施例中相同，除了在光波导3的-Z方向中安装了反射板8。图23和24是分别示出了在光源开启时从光波导发射以及从锥体片发射期间的光强度分布的极坐标图。图中示出了X方向和Y方向。图25是示出了图24所示的锥体片发射期间光强度分布中X轴方向的亮度分布的曲线图，其中水平轴代表X轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度。图26是示出了图24所示的锥体片发射期间光强度分布中Y轴方向的亮度分布的曲线图，其中水平轴代表Y轴方向中的视角，并且垂直轴代表光强度。
如图23所示，在从光波导发射期间，在偏离Z轴65度的方向中出现光强度分布的峰值，并且相对于本发明的第一实施例方向性没有下降。如图25和26所示，在从锥体片发射期间，在X轴方向和Y轴方向中，光强度分布都是聚焦在30度之内，并且与其中没有提供反射板的本发明第一实施例相比强度增加。具体地，可以更有效地利用来自光源的光而不会危及方向性。本实施例除了上述效果之外的其他效果与前述第二实施例相同。
接着描述根据本发明第四实施例的光源设备和显示设备。图27是示出了本实施例的显示设备的截面图。在本实施例的光源设备22中，在本发明第三实施例中所述的光源设备12上(具体地，在锥体片的+Z侧)提供了透明/散射状态切换元件122。在透明/散射状态切换元件122中提供了彼此平行排列的一对透明基板109，并且如此提供电极110，以便覆盖每个透明基板中面对另一透明基板的表面。在电极110之间提供了PDLC(聚合物分散液晶polymer Dispersed LiquidCrystal)层111，其中在聚合物基体111a中分散了液晶分子111b。通过使用电极110对向夹在电极之间的PDLC层111施加电压，来改变PDCL层中液晶分子的取向状态。例如，通过曝光将光固化树脂的基体和液晶材料固化，来形成PDLC层111。透明/散射状态切换元件122散射或者透射从光源设备12入射的光，并且将光发射到液晶面板7。
当从如上所述形成的显示设置中的前述光源设备12发射在二维中具有高方向性的光，并且这种分布的光进入处于透明状态的透明/散射状态切换元件122时，高方向性光毫无改变地透射通过透明/散射状态切换元件122，并且发射高方向性的光。此光透射通过液晶面板7，并且用来产生仅在正向附近可见的窄角度显示。当透明/散射状态切换元件122处于散射状态时，入射光被透明/散射状态切换元件122散射，并且转换为具有降低方向性的宽角度光。因为在宽范围上展开的分布光在透射通过液晶面板7之后还是以宽分布的状态发射，所以在宽视角中显示图像。
在本发明中，通过使用透明/散射状态切换元件122来透射或散射从光源设备12发射的高方向性光，可以在窄角度显示和宽角度显示之间切换。由此，显示设备可以具有可变视角。
本发明中的显示面板不限于透射液晶面板，并且可以使用任何使用光源设备的显示面板。使用对视角具有最小依赖性的液晶面板是尤其合适的。这种液晶面板的模式示例包括在水平场模式中，IPS(面内切换)、FFS(边缘场切换)、AFFS(高级边缘场切换)等。垂直对准模式包括多域且拥有减小的视角依赖性的MVA(多域垂直对准)、PVA(图案垂直对准)、ASV(高级超V)等。另外，也可以适当地使用膜补偿TN模式液晶显示面板。
本发明的显示设备中所使用的透明/散射状态切换元件不限于具有PDLC层，并且可以适当地使用能够在透明状态和散射状态之间切换的任何元件。其示例可以包括使用聚合物网络液晶(PNLC)的元件，或者使用动态散射(DS)的元件。在前述PDLC层中，在没有施加电压时建立了散射状态，并且在施加电压时建立透明状态。由此，可以提高散射状态期间光源设备的亮度，因为透明/散射元件在处于入射光被散射的状态时不消耗功率，并且不然将会消耗掉的功率被分配给背光光源。还可以使用在没有施加电压时处于透明状态并且在施加电压时处于散射状态的PDLC层。这种类型的PDLC层通过在施加电压同时利用曝光进行固化获得。在这种配置中，不需要向PDLC层施加电压，并且在频繁使用窄角度显示的移动信息终端设备中可以抑制功耗。
本实施例的光源设备可以合适地应用于移动电话或其他移动终端设备中，并且变得可以切换移动终端设备中安装的显示设备中的显示视角。尤其当本实施例的光源设备安装在移动电话中时，可以将移动电话的横向和纵向分别设置为光源设备的Y轴方向和X轴方向。由此，当光源位于显示屏幕的垂直方向中时，可以控制横向中的方向性。移动电话的宽度通常受限于易于手持的尺寸，但是优选地增加显示区域的宽度，以便显示文本信息。因此，在移动电话的宽度方向中没有被显示器占据的区域趋向于变小。本发明的光源设备具有能够减小显示屏幕左右两侧的非显示区域宽度的优点，因为不需要将光源放置在显示屏幕的左右两侧。
在本实施例的显示设备中，总厚度增加了与透明/散射状态切换元件的厚度相当的数量。然而，因为在本实施例中可以将光源设备做得更薄，所以可以使显示设备的厚度等于或小于传统显示设备的厚度。兼容的移动终端设备不仅包括移动电话，还包括PDA、游戏设备、数码相机、数码摄像机、视频播放器以及各种其他类型的移动终端设备。兼容的终端设备包括笔记本型个人计算机、自动提款机、自动售货机、以及其他各种类型的终端设备中。
与透明/散射状态切换元件结合使用的光源设备也不限于本发明的第三实施例，并且也可以使用根据本发明第一或第二实施例的光源设备。
本发明可以适于用作移动电话、PDA、游戏设备、数码相机、摄像机、视频播放器或其他移动终端设备的显示设备，以及用作笔记本型个人计算机、自动取款机、自动售货机或其他终端设备的显示设备。
权利要求
1.一种光源设备，包括光源；光引导部件，用于沿着第一方向发射从所述光源入射的光，其中所述第一方向不同于光的入射方向；以及光学部件，用于沿着第二方向发射从所述光引导部件入射的光，其中所述第二方向不同于所述第一方向；其中所述光学部件具有由透明材料构成的平板，以及由透明材料构成、并且形成在所述平板中面对所述光引导部件的表面上的多个圆锥体；并且所述圆锥体的中轴彼此平行。
2.根据权利要求1所述的光源设备，其中包括所述圆锥体的顶点的一行的相不同于其他行的相。
3.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中将所述圆锥体的顶点连接起来的假想直线的方向平行于所述平板的表面，并且包括三个彼此不同的方向。
4.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中所述圆锥体的中轴相对于与所述平板的表面相垂直的方向倾斜，从而所述第二方向垂直于所述平板的表面。
5.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中在所述平板中没有形成所述圆锥体一侧的表面上形成漫射图案，用于漫射透射光。
6.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中所述光源包括点光源；并且在所述光引导部件上来自所述点光源的光入射的表面上形成用于漫射光的漫射图案。
7.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中所述光引导部件包括光波导，所述光从其侧面入射到所述光波导，并且在所述光波导中面对所述光学部件的光发射表面相反侧的表面上形成倾斜表面，所述倾斜表面相对于所述光发射表面向着所述光源侧倾斜。
8.根据权利要求1或2所述的光源设备，包括反射片，当从所述光引导部件观察时，所述反射片位于所述光学部件所处一侧相反的一侧。
9.根据权利要求1或2所述的光源设备，其中所述光源设备被内置在具有用于通过透射光将图像与光关联起来的显示面板的显示设备中，从而从所述光学部件发射的光进入所述显示面板。
10.一种显示设备，包括根据权利要求1至8中任一项所述的光源设备；以及显示面板，用于通过透射从所述光源设备发射的光，将图像与光关联起来。
11.根据权利要求10所述的显示设备，其中所述显示面板的像素排列方向相对于所述圆锥体的排列方向倾斜。
12.根据权利要求10或11所述的显示设备，其中所述显示面板是液晶面板。
13.一种终端设备，包括根据权利要求10至12中任一项所述的显示设备。
14.根据权利要求13所述的终端设备，包括移动电话、个人信息终端、游戏设备、数码相机、摄像机、视频播放器、笔记本型个人计算机、自动取款机或者自动售货机。
15.根据权利要求14所述的终端设备，包括移动电话，其中所述光源位于显示屏幕的顶部或底部。
全文摘要
公开了一种光源设备、使用其的显示设备及终端设备。根据本发明的显示设备的光源设备具有光波导、锥体片以及沿着光波导的侧面放置的光源。光波导的光发射表面是平坦的，并且在光漫射表面中形成倾斜表面，其相对于光发射表面向着光源侧倾斜。锥体片具有平板，以及在平板的光入射表面上二维排列的多个圆锥体。这些圆锥体的中轴彼此平行。本发明提供了可以做得较薄并且能够二维增加发射光的方向性的光源设备。
文档编号G02F1/1335GK1841162SQ200610071560
公开日2006年10月4日 申请日期2006年3月28日 优先权日2005年3月28日
发明者上原伸一, 今井雅雄 申请人:日本电气株式会社