光源设备、显示设备、终端设备以及光学部件的制作方法

专利名称：光源设备、显示设备、终端设备以及光学部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够切换照射的角度范围的光源设备、一种配备有这种光源设备并能够切换能见度的角度范围的显示设备、一种配备有该显示设备的终端设备以及一种在上述光源设备中使用的光学部件。
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。具体地，与液晶面板分离的光源设备在当前主流液晶显示设备中是主要的。
在作为液晶显示设备的主要组件的液晶面板中，通过利用电场控制液晶分子的取向来显示信息，但是，根据液晶分子的类型和初始取向、电场的方向等的组合，已经提出了多种模式。在这些模式中，传统终端设备中最常使用的模式包括利用简单矩阵结构的STN(超扭转向列)模式和利用有源矩阵结构的TN(扭转向列)。然而，在使用这些模式的液晶面板中，能够正确地区分对比度的角度范围较窄，并且在最优观看位置以外出现了灰度级反转。
在移动电话和其它终端设备中，当显示内容主要包括电话号码和其它字符时，灰度级反转的问题相对不明显。但是，随着近年来技术的发展，终端设备不仅显示文本信息，还显示大量图像信息。因此，灰度级反转严重地降低了图像的能见度。因此，逐渐地在终端设备中安装使用以下模式的液晶面板在该模式中，能够正确地区分对比度而不会出现灰度级反转的角度范围较宽。通常将具有该类型模式的液晶面板称作宽视角液晶面板，并且其中应用了面内切换系统(in-planeswitching mode)和其它面内模式(in-plane mode)、多域垂直对准模式(multi-domain vertical mode)等。由于通过使用这些宽视角液晶面板能够在较宽的角度范围中正确地区分灰度，即使中型终端设备基板上是个人工具，正在开发并逐渐地安装了可由多人同时欣赏并且设计用于与他人共享信息的应用。
另一方面，中型终端设备的特征在于不仅在严密安全的封闭房间中使用，还在公共场合使用。于是，阻止第三方观看私密信息和机密信息的显示变得非常重要。尤其是近年来，随着终端设备的发展，显示私密信息和机密信息的场合已经增多，并且对于防窃听技术的需求正在增加。因此，存在对于开发能够防窃听的技术的需求，通过变窄显示可见的角度范围，使得只有用户才能够观看显示。
如上所述，同时希望具有两种显示器，一种具有较宽的视角范围并且能够同时被多人欣赏，而另一种具有较窄的视角范围并且仅能够被用户观看。还需要在单个终端设备中在这两种类型的显示器之间进行切换的能力。因此，为了满足这种需要，已经提出了一种显示器，其中如此设计对于液晶显示设备不可或缺的光源，使得能够改变视角的范围。
图35是示出了日本待审公开专利申请9-244018中所述的传统视角受控液晶显示设备的示意截面图；以及图36是示出了其中使用该视角受控液晶显示设备的一种照明设备的示意立体图。如图35所示，传统的视角受控液晶显示设备1101包括液晶显示元件1102、散射控制元件(散射控制装置)1103；以及照明设备(背光)1104。散射控制元件1103被设置在液晶显示元件1102和照明设备1104之间。如图36所示，照明设备1104配备了不透明开缝片(半透明片)1120和照射单元1121。向照射单元1121提供了荧光管或其它光源1122，并且在面对光发射表面1123的表面上提供反射片1124，用于反射来自光源1122的光。不透明开缝片1120一侧的表面形成了光发射表面1123，用于发射来自光源1122的光，并将光引导向不透明开缝片1120。在不透明开缝片1120中，在半透明片的一个表面上，彼此平行地设置沿一个方向延伸的多个线性不透明部件。不透明部件延伸的方向与显示单元的垂直方向一致。
在日本待审公开专利申请9-244018中所述的传统视角受控液晶显示设备中，从光源1122发射的光通过不透明开缝片1120照射到散射控制元件1103。当从光发射表面1123发射的光通过不透明开缝片1120时，不透明开缝片1120增大了透射光的准直性。因此，在相对于与光入射表面正交的方向明显倾斜的角度处，不存在入射到散射控制元件1103的光。具体地，得到了高度平行于与不透明开缝片1120的表面正交的方向的透射光。然后，从照明设备1104发射的光进入散射控制元件1103。散射控制元件1103根据施加电压的存在来控制入射光线的散射特性。当散射控制元件1103处于散射状态时，由散射控制元件1103散射来自照明设备1104的光；而当散射控制元件1103处于透射状态时，不散射来自照明设备1104的光。
在如上配置的视角受控液晶显示设备1101中，当散射控制元件1103处于散射状态时，由散射控制元件1103散射从照明设备1104发射的高度准直的光，并使其进入液晶显示元件1102。结果，已经通过液晶显示元件1102的光沿显示单元的视角内的所有方向释放，并且可以从除了显示单元正前方的位置以外的位置来辨别所显示的内容。相反，当散射控制元件1103处于透射状态时，使从照明设备1104发射的高度准直的光在保持高准直度的同时进入液晶显示元件1102，而不由散射控制元件1103进行散射。结果，液晶显示元件1102的透射光不会传播到在水平方向偏左或偏右的角度处观看显示单元的位置，当从这种位置观看时，屏幕变暗，并且不可能辨认所显示的内容。利用该配置，只有直接面向显示单元的观察者才能够辨认所显示的内容。
如上所述，在具有上述配置的视角受控液晶显示设备1101中，由于可以通过散射控制元件1103来控制光的散射特性，所以可以控制所显示内容的视角特性。具体地，由于可以通过照明设备1104向液晶显示元件1102发射高度准直的光，当将散射控制元件1103设置在透射状态时，可以可靠地得到其中只有直接面向显示单元的观察者才能够辨认所显示内容的视角特性。因此，可以得到能够在以下两种状态之间任意切换的液晶显示设备不依赖于视角，在所有视角方向中均匀地保持显示特性的状态；以及只能从直接面对显示单元的位置来辨认所显示内容的状态。
以前已经研究了具有增大方向性的光源设备。图37是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第一传统高方向性光源设备的示意立体图。如图37所示，第一传统高方向性光源设备包括光源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漫射片2103；设置在漫射片2103上的两个棱柱片2104和2105；设置在棱柱片上的漫射片2106；以及设置在光波导2102的光出射表面的相反一侧上的反射片2107。在光波导2102的表面上印刷点的形状。在两个棱柱片2104和2105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2104和2105，使得在棱柱片2104中形成的棱柱形状的延伸方向与在棱柱片2105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2104和2105，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并且在2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第一传统高方向性光源设备中，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，一部分光被印刷的点图案散射，并从光波导2102的发射面发射。通过设置在光波导2102和棱柱片2104之间的漫射片2103，增强了从光波导2102发射的光的照度均匀比，并且光进入棱柱片2104和2105。由于棱柱片2104和2105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38是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第二传统高方向性光源设备的示意立体图。如图38所示，第二传统高方向性光源设备包括线光源3101；光波导3102，用于以平面方式传播并发射由光源3101发射的光；设置在光波导3102的光出射表面一侧的棱柱片3103；以及设置在光波导3102的光出射表面的相反侧上的反射片3104。光波导3102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)，并且在反射片3104侧的表面(相反侧表面)上形成沿与光源3101的延伸方向正交的方向(以下称作与光源正交的方向)延伸的棱柱行。排列棱柱片3103，使棱柱面朝向光波导一侧，且棱柱行的延伸方向是与光源的延伸方向平行的方向(以下称作与光源平行的方向)。
在具有该类型的配置并且在2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页引用的第二传统高方向性光源设备中，从光源3101发射的光进入光波导3102并且在光波导3102中传播。然后，通过形成在光出射表面(光波导3102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3102发射。从光波导3102发射的光处于略微偏离光波导3102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3103，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3103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3102的反射片3104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39A和39B是示出了第二传统高方向性光源设备的方向性特性和第一传统高方向性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39A示出了垂直方向的方向性，图39B示出了水平方向的方向性。图39A和39B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39A和39B所示，在第二传统高方向性光源设备中，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高方向性光源设备。
图40是示出了日本待审公开专利申请2003-215584中所述的第三传统高方向性光源设备的示意立体图，图41是其截面图。如图40所示，第三传统高方向性光源设备主要包括光波导4132、发光单元4133、反射板4134以及漫射棱柱片4135。利用聚碳酸酯树脂、甲基丙酸烯树脂或其它透明树脂形成方平板形的光波导4132，并且在其背面上形成光漫射图案。当在平面内观察时，通过以某一角度切割拐角部分，在光波导4132的拐角部分的一个位置中形成光入射面4137。在发光单元4133中，将一个或多个LED(发光二极管)密封在透明塑模树脂中，并由白色树脂覆盖除塑模树脂的前表面以外的表面。从LED发射的光直接从发光单元4133的前表面发射，或者在被塑模树脂和白色树脂之间的界面反射之后从发光单元4133的前表面发射。
该发光单元4133位于这样的位置其前表面面对光波导4132的光入射面4137。光波导4132的底面上形成的光漫射图案4136排列为以发光单元4133(具体地，内部LED)为中心的同心弧形，并且每个光漫射图案4136是通过将光波导4132的背面凹入形成的曲线，其截面为非对称三角形形状。光漫射图案4136还沿着以发光单元4133为中心的弧形的圆周方向展开，并且在面内观察时，光漫射图案4136的反射面与将发光单元4133和光漫射图案4136连接起来的方向相交。光漫射图案4136还如此形成，使得图案密度沿着离开发光单元4133的方向逐渐增加。反射板4134的表面具有由Ag电镀形成的镜面光洁度，并且被放置为面对光波导4132的整个背面。在漫射棱柱片4135中，透明纹理漫射板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。
在具有该类型配置并且在日本待审公开专利申请2003-215584中所述的第三传统高方向性光源设备中，从发光单元4133发射的光p从光入射面4137进入光波导4132，如图41所示。从光入射面4137进入光波导4132的光p在光波导4132中以径向方式传播，但是光入射面4137中形成的光学元件4144如此设计，使得此时在光波导4132中传播的光p的每个方向中的光强度与每个方向中光波导4132的表面面积成比例。进入光波导4132的光p在光波导4132内沿着离开发光单元4133的方向传播，同时在光波导4132的顶面和底面之间重复经历全反射。每当光被截面为三角形形状的光漫射图案4136反射时，入射到光波导4132的底面上的光p入射到光波导4132的顶面(光出射面4145)上的角度就减小，并且以小于全反射临界角的入射角入射到光出射面4145的光p穿过光出射面4145，并且出射到光波导4132的外部。每个光漫射图案4136还被布置为与将发光单元4133连接到每个光漫射图案4136的方向正交。因此，即使在光波导4132中传播的光p被光漫射图案4136漫射，光p在与光波导4132垂直、并包括将发光单元4133连接到光漫射图案4136的方向的面内被漫射，但是在与光漫射图案4136的切线平行的面内不会被散射，而是直线向前行进。没有被光波导4132的顶面反射就穿过底面的光p直接被面对光波导4132的底面的反射板4134反射，返回到光波导4132，并且再次在光波导4132中传播。在极小的发散之后，由于穿过漫射棱柱片4135的棱柱片4140，从光波导发射的高度定向的光向着与光出射面4145垂直的方向弯曲，然后由漫射棱柱片4135的纹理漫射板4139漫射到适当的程度，具有高方向性的光沿着正向发射。因此获得了高方向性。
然而，上述传统视角受控液晶显示设备具有如下的问题。具体地，在日本待审公开专利申请9-244018中描述的传统视角受控液晶显示设备中，通过使用不透明开缝片来阻挡相对于光入射面以等于或大于特定角度的角度倾斜入射的分量，来增加从照明设备的照射单元发射的光的方向性。因此，在这种传统显示设备中，从光源发射的光的利用效率较低。从不透明开缝片发射的高度定向光进入散射控制元件。在宽角度显示的情形中，散射控制元件处于散射状态，并且在大的角度范围中散射高方向性光。在这种显示设备中，因为已经穿过不透明开缝片、在正向具有高度方向性的光在大的角度范围中传播，所以在所有角度处亮度都大大降低，并且与不具有不透明开缝片的常规照明设备相比，显示的能见度大大降低。
发明人进行了集中研究，以便克服该问题。结果，发明人发现，通过增加从光源设备(照明设备的照射单元)发射的光的方向性，有效地增加了由不透明开缝片(后文称作光方向调节元件)透射的光通量的数量。光方向调节元件的透射率取决于角度，从而透射率在正向最高，并且在角度大小增加时逐渐减小。这是因为当角度增加时，不透明缝的视在开口面积比(apparent open area ratio)减小。具体地，通过增加从光源设备发射的光的方向性，并且将光通量集中在光方向调节元件的透射率高的正向，可以增加穿过光方向调节元件的光通量。更优选地，在光方向调节元件的面内方向中以二维方式增加从光源设备发射的光的方向性，但是通过至少增加不透明缝的对准方向中的方向性，可以增加透射的光通量。由此，即使散射控制元件处于散射状态，也可以提高所有方向中的亮度。
基于该发现，发明人进行了对传统高方向性光源设备的额外研究，以便提高传统视角受控液晶显示设备在宽视场显示期间的亮度。结果确定，即使使用传统高方向性光源设备，亮度的提高也是不够的。
在2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页上引用的第一传统高方向性光源设备中，从光波导发射并且由漫射片给予了更均匀亮度的光通量被两个正交排列的棱柱片折射。结果，增加了正向的方向性，但是即使两个棱柱片将方向偏离法向约30度的光线折射到正向，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。结果，由光方向调节元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在宽角度显示期间的亮度。
在2004年4月发行的Monthly Display第14页到21页上引用的第二传统高方向性光源设备中，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，并且二维光会聚特性的增加受到限制。因此，当这种光源设备安装在移动电话的显示设备中时，优选地，与高方向性光源垂直的方向的走向是显示屏幕的左右方向。然后将光源设备的光源放置在显示屏幕的左右两侧。然而，因为在普通移动电话中机壳做得较薄，所以不可能将光源放置在显示屏幕的左右两侧。因此，在第二传统高方向性光源设备应用于移动电话时，光源被放置在显示屏幕的上下两侧，但是难以增加左/右方向中的方向性。结果，由光方向调节元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在宽角度显示期间的亮度。
另外，在日本待审公开专利申请2003-215584中所述的第三传统高方向性光源设备中，通过将光源做成点光源，并且通过使用其中绕着光源布置了同心圆图案的光波导以及漫射棱柱片，可以增加二维光聚焦特性。利用这种配置，可以增加由光方向调节元件透射的光通量的比例。然而，必须将光源集中在一个位置，并且普通LED光源的强度不够。当使用其中多个LED安装在单个封装中的光源时，增加了光源的强度，但是光源的集成受限于散热问题。结果，由光方向调节元件透射的光通量增加不充分，并且不能充分提高在宽角度显示期间的亮度。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够切换照射角度范围的光源设备，其中光源设备具有高方向性、高亮度，并且对光源的安装位置没有限制；提供一种安装了该光源、并且具有高显示亮度以及切换视角范围的能力的显示设备；提供一种安装了这种显示设备的终端设备；并且提供一种结合在光源设备中的光学部件。
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；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；光方向调节元件，用于调节从光学部件入射的光的方向，并且发射光；以及透明/散射状态切换元件，能够在透射从光方向调节元件入射的光的状态与散射光的状态之间切换。光源沿着光引导部件的光入射表面放置；光学部件在其光入射表面上具有二维排列的多个光学元件；并且入射光沿着与包括所述入射方向和所述第一方向的平面正交的方向发射，并具有增加的方向性。
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。因为本发明还具有光方向调节元件，所以可以进一步增加光的方向性。另外，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。此外，光源的安装位置也具有高度自由。因为光学元件在光学部件中也是二维排列，所以沿着第一方向入射的光可以沿着第二方向发射，并且通过单个光学部件可以增加与前述平面正交的方向中的方向性。另外，通过采用如下方法，显示设备上可以辨别图像的视角范围可以在两级之间切换在所述方法中，通过使透明/散射状态切换元件处于透明状态，变窄从显示设备发射的光的照射角度，并且通过使透明/散射状态切换元件处于散射状态，加宽从显示设备发射的光的照射角度。
可以采用这样的配置，其中光学部件具有由透明材料构成的平板，光学元件形成在所述平板上，且包括由透明材料形成的多个圆锥体；这些圆锥体形成在平板上面对光引导部件的表面上；并且这些圆锥体的中轴彼此平行。
此时，优选地，包括光学部件中的圆锥体的顶点的一行的相(phase)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。通过这种配置，可以最小化在光学部件与显示面板组合使用时波纹(moire)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。通过这种配置，可以使从光源设备发射的光的强度分布中心位于与锥体片的平板相垂直的方向中。
另外，可以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。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。通过这种配置，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，光引导部件可以包括光波导，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。通过这种配置，可以增加从光引导部件发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，根据本发明的光源优选地具有反射片，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。
在该实例中，可以采用这样的配置，其中在光方向调节元件中沿着与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区域以及用于吸收光的吸收区域；并且光方向调节元件调节排列方向中光的角度范围。
光方向调节元件还可以具有彼此层叠在一起的第一和第二层，第一层中透明区域和吸收区域的排列方向与第二层中透明区域和吸收区域的排列方向正交。由此可以进一步在二维中提高光的方向性。
当从光方向调节元件中的光的入射方向观察时，用于透射光的透明区域在用于吸收光的吸收区域中可以排列为矩阵形式。此时，当从光的入射方向观察时，透明区域的形状可以是圆形、椭圆形、方形或矩形。
优选地，透明区域和吸收区域之间的边界平行于所述第二方向。由此可以高效率地透射光。
另外，优选地，透明区域的排列方向相对于光学元件的排列方向倾斜。由此可以减少由于光方向调节元件和光学部件而出现的波纹。
光方向调节元件还可以与光学部件一体形成。通过这种配置，可以减小显示设备的厚度。
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。
利用本发明，因为光源设备的亮度较高，所以可以获得能够切换视角范围并且具有高亮度的显示设备。
另外，优选地，显示面板的像素排列方向相对于光学元件的排列方向倾斜。由此可以减少由于显示面板和光学部件而出现的波纹。
显示面板也可以是液晶面板。在这种情形中，优选地，液晶面板根据横向场原理、多域垂直对准原理或者膜补偿TN原理操作。通过这种配置，可以最小化显示中的灰度反转，并且在透明/散射状态切换元件处于散射状态时可以提高能见度。
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，并且同时可以获得薄机壳和大屏幕。
根据本发明的光学部件具有光方向调节元件，用于调节入射光的方向，并出射光；和在光方向调节元件上一体形成的、由透明材料构成的多个圆锥体。
利用本发明，光引导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，并且光学部件增加了光在与前述平面正交的方向中的方向性。由此获得了高方向性、高亮度、对于光源安装位置没有限制、并能够切换施加范围的光源设备。通过使用这种光源设备，可以获得具有高显示亮度并且能够切换视角范围的显示设备。


图1是示出了根据本发明第一实施例的显示设备的截面图；图2是示出了根据本发明第一实施例的光源设备的光源单元的立体图；图3是示出了装配有根据本发明第一实施例的显示设备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光源设备中所使用的锥体片的立体图；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，并且具体地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，并且具体地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显示设备的截面图；图17是示出了根据本发明第二实施例的光源设备的光源单元的立体图；图18是示出了根据本发明第二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；图19是示出了根据本发明第二实施例的显示设备中所使用的百叶窗(louver)的立体图；图20A至20G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20A、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21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，并且具体地示出了从锥体片发射时的光强度分布；图22是示出了图21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23是示出了图21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24是示出了根据本发明第二实施例的显示设备中所使用的百叶窗的平面图；图25是示出了根据本发明第二实施例的显示设备中所使用的百叶窗的平面图；图26是示出了根据本发明第三实施例的显示设备的截面图；图27是示出了根据本发明第三实施例的光源设备的光源单元的立体图；图28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光波导发射时的光强度分布；图29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30是示出了图29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31是示出了图29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32是示出了根据本发明第四实施例的显示设备的截面图；
图33是示出了根据本发明第五实施例的显示设备的截面图；图34是示出了根据本发明第五实施例的显示设备中所使用的百叶窗的立体图；图35是示出了日本待审公开专利申请9-244018中所述的传统视角受控液晶显示设备的示意截面图；图36是示出了日本待审公开专利申请9-244018中所述的传统视角受控液晶显示设备中所使用的照明设备的示意截面图；图37是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14至21页上所述的第一传统高方向性光源设备的立体图；图38是示出了2004年4月发行的Monthly Display第14至21页上所述的第二传统高方向性光源设备的立体图；图39A和39B是示出了第二传统高方向性光源设备的方向性特性和第一传统高方向性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39A示出了垂直方向的方向性；并且图39B示出了水平方向的方向性；图40是示出了日本待审公开专利申请2003-215584中所述的第三传统高方向性光源设备的立体图；图41是示出了日本待审公开专利申请2003-215584中所述的第三传统高方向性光源设备的截面图。
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、显示设备、终端设备及光学部件。首先描述根据本发明第一实施例的光源设备、显示设备、终端设备及光学部件。图1是示出了根据本实施例的显示设备的截面图；图2是示出了该显示设备的光源单元的立体图；图3是示出了装配有本实施例的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所示，在根据本第一实施例的显示器2中提供了光源单元1，并且在光源单元1之上提供了百叶窗(louver)112(光方向调节元件)。在百叶窗112上提供了透明/散射状态切换元件122，并且在透明/散射状态切换元件122上提供了透射液晶面板7。光源单元1、百叶窗112以及透明/散射状态切换元件122构成了根据本实施例的照射角度切换类型光源设备。
如图1和2所示，在光源单元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。利用这种配置，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。
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。
在百叶窗112中，例如在与百叶窗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区域112a(见图19)以及用于吸收光的吸收区域112b(见图19)。透明区域112a和吸收区域112b例如是沿着X轴方向延伸的带状区域，并且其侧面平行于Z轴方向。透明区域112a和吸收区域112b交替排列的排列方向是图1所示的Y方向。
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 Liquid Crystal)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散射或者透射从百叶窗112入射的光，并且将光发射到透射液晶面板7。
如图1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1中仅示出了倾斜表面41的一个实例，以便简化附图，但是倾斜表面41实际上形成在多个位置中，如前所述。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方向传播的光照射倾斜表面41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1和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锥体64。平板63与XY平面平行，并且锥体64沿着-Z方向突出，即，向着光波导3突出。具体地，锥体64的中轴彼此平行，并且平行于Z轴方向。锥体64的顶点沿着两个方向排列，包括Y轴方向和XY平面中相对于Y轴方向成60度角度的方向。具体地，锥体64在平板63的光入射表面上在二维中排列，并且将锥体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。利用这种配置，当将三个互相邻近的锥体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，锥体64的顶点在Y轴方向中等间距排列，间隔为50m，并且由锥体的顶点形成的等边三角形的边长是50μm。锥体64的顶角是70度，并且锥体的高度为36μm。术语“顶角”是指由包括锥体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(PMMApolymethylmethacrylate)。
如图3所示，例如，根据本实施例的显示设备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1)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显示设备2的操作，但是首先描述光源单元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减小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的法线的角度变为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，并且该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，当光到达光出射表面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，因为锥体64的顶角为70度，所以光进入锥体64的角度是7.4度，锥体的入射面的法线与进入锥体64的光线的传播方向之间的角度变为4.9度。光线然后到达锥体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，光源单元1的照射角度局限在窄范围的角度中。
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，并且如此布置倾斜表面，使得在Y轴方向中连续。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方向的锥体。如此布置锥体，使得当从-Z方向观察时，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，并且由锥体的顶点形成的等边三角形的边长为50μm。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。
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。通过锥体片6的光聚焦效果，从光源单元1发射的光的照射角度的范围可以在X轴方向和Y轴方向中相对于发射方向(即，+Z方向)都减小。具体地，可以在二维中增加发射光的方向性。
接着解释本实施例的显示设备2的操作。首先描述宽角度显示的情形。如图1所示，从光源单元1发射的具有高方向性的光入射到百叶窗112上。在Y方向中具有大角度的光线部分被百叶窗112吸收，并且在Y方向中具有较高方向性的光被发射。此时，从显示设备2发射的光在Y方向中也具有足够增大的方向性。因此，被百叶窗112吸收的光仅仅是由于光源设备的散射等出现的光，并且其量较小。具体地，使得由百叶窗112带来的光通量减少最小化。
如图1所示，从百叶窗112发射、并且具有高方向性分布的光进入透明/散射状态切换元件122。在宽角度显示的情形中，不向PDLC层111施加电压。因此，在PDLC层111中，液晶分子111b随机分散在聚合物基体111a中，并且入射光被散射。因此，高方向性光被PDLC层111均匀散射，并且分散到宽范围的角度中。具体地，通过百叶窗112增加了方向性的光被透明/散射状态切换元件122散射，并且变为方向性降低的宽角度光。分布扩展到大范围上的光进入透射液晶面板7，并且毫无修改地被发射作为宽角度光，如图1所示。于是在宽视角中显示图像。如前所述，从本发明中的光源设备发射的光的方向性相对于发射表面二维增加，并且被百叶窗112吸收的光的数量被最小化。因此，可以提高宽角度显示期间的亮度。另外，因为不需要将光源放置为点光源，并且可以在光波导的光入射表面上排列多个光源，所以可以增加光源的强度，由此可以进一步提高宽角度显示期间的亮度。
接着描述窄角度显示的情形。窄角度显示情形中在光进入透明/散射状态切换元件122之前的过程与宽角度显示情形中一样。在窄角度显示的情形中，向PDLC层111施加指定电压。由此使PDLC层111处于透明状态，其中聚合物基体111a中分散的液晶分子111b被取向。具体地，具有高方向性的入射光毫无变化地透射。具体地，通过百叶窗112增加了Y轴方向中方向性的光从透明/散射状态切换元件122以维持高方向性分布的状态被发射。具有高方向性分布的此光进入透射液晶面板7，并且以其高方向性的原始状态被发射，如图1所示。于是在窄视角中显示图像。
接着将描述本实施例的效果。本实施例的光源设备提供了高亮度，因为从光源单元中的光源发射的大多数光可以在相对于+Z方向(作为中轴)一定范围的角度中具有高方向性地被发射。通过将图12和13与图39A和39B相比较，显而易见，本实施例的光源设备的光源单元的方向性高于传统光源设备的方向性，尤其在Y轴方向中。因此，本实施例的光源设备辐射高强度的光，并且本实施例的显示设备的显示亮度较高。
在根据本实施例的光源设备中，只要光源沿着光波导的任意一边放置就足够了。因此，对于光源安装位置的限制很少，并且向设计赋予了高度自由。例如，因为不需要将光源制成点光源，并且可以提供多个点光源或者线光源，所以可以整体提高光源设备的亮度。当根据本实施例的光源设备安装在移动终端设备中时，不需要将光源放置在显示屏幕的左右两侧，并且可以将光源放置在显示屏幕之上或之下。因此，可以小型化移动终端设备的机壳。
另外，在本实施例中，因为从光源单元发射的光的方向性相对于XY平面二维增加，所以光源设备不仅可以切换X轴方向中的照射角度范围，而且可以切换Y轴方向中的照射角度范围。因此，根据本实施例的显示设备不仅在屏幕的水平方向中而且在垂直方向中可以具备在窄角度显示和宽角度显示之间进行切换的能力。
另外，在根据本实施例的显示设备中，光方向调节元件的透明区域和吸收区域沿着Y轴方向以交替方式排列；具体地，屏幕的左右方向。因此，通过将光穿过光方向调节元件，可以进一步提高从光源设备发射的光在Y轴方向中的方向性。
另外，因为在本实施例中在锥体片上二维排列了锥体，所以沿着从+Z方向朝向+X方向成60度角度的方向入射的光可以被单个锥体片沿着从+Z方向朝向+X方向成16.8度角度的方向发射，并且也可以增加此光在Y轴方向中的方向性。因此，不需要提供多个锥体片，并且可以减小光源设备的厚度。
本发明中光波导的倾斜表面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型光波导，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。由此可以防止百叶窗或显示面板出现波纹。
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3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。
可以如此调整光源的强度，使得透射液晶面板的正向亮度在窄角度显示和宽角度显示期间具有相同值。由此，可以将透射液晶显示面板的正向亮度维持恒定，并且可以减少在窄角度显示和宽角度显示之间切换时的不适。当光源由白色LED构成，并且白色LED由蓝色LED和黄色荧光粉构成时，可以通过电流的脉冲宽度调制来调整白色LED的强度。在由蓝色LED和黄色荧光粉构成的白色LED中，黄色荧光粉被蓝色LED发射的一部分蓝光激发，并且发射黄光。蓝光和黄光混合在一起，生成白光。当调整电流量时，蓝光和黄光的发射比波动，使得透射液晶面板的正向亮度在窄角度显示情形中与宽角度显示情形中具有相同值。因此，透射液晶面板的色度出现变化。相反，当通过脉冲调制来调整光强度时，通过调整发射时间比来实现光强度的调整，这允许最小化透射液晶面板的色度变化。
本发明中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。液晶面板对视角具有最小依赖性并且能够在宽视角显示期间抑制对比度反转是合适的。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。
与本发明的光源设备结合使用的透明/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，所使用的透明/散射状态切换元件在没有施加电压时处于散射状态，并且在施加电压时处于透明状态。通过这种配置，可以提高散射状态期间光源设备的亮度，因为透明/散射状态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层通过将光固化树脂和液晶材料的混合物曝光并且在施加电压同时固化该混合物来获得。通过这种配置，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。胆甾型液晶、铁电液晶等也可以用作PDLC层中所使用的液晶分子。即使不再施加电压，这些液晶仍然保持施加电压时的取向，并且具有存储特性。通过使用这种类型的PDLC层，可以减少功耗。
本实施例中的百叶窗被描述为具有在Y方向以交替方式排列的透明区域和吸收区域，但是也可以采取在XY平面中旋转的布置。通过这种配置，可以使百叶窗和显示面板产生的波纹不那么显著，并且可以提高显示质量。通过将透明区域和吸收区域交替排列的方向设置为与锥体片的锥体排列方向不同的方向，可以使百叶窗和锥体片产生的波纹不那么显著，并且可以提高显示质量。
本发明的光源设备中所使用的锥体片中的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。
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。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、显示设备、终端设备及光学部件。图16是示出了本实施例的显示设备的截面图；图17是示出了本实施例的光源设备的光源单元的立体图；图18是示出了本实施例的光源设备中所使用的锥体片的截面图；并且图19是示出了本实施例的百叶窗的立体图。如图17和18所示，本实施例的光源单元11具有锥体片61，而不是前述第一实施例的光源单元1(见图1)中的锥体片6。在锥体片61中，锥体64的中轴从-Z方向朝向着+X方向倾斜了10度。
在本实施例的显示设备21中还提供了百叶窗212，而不是前述第一实施例中的百叶窗112(见图1)。如图19所示，本实施例的百叶窗212由两层根据前述第一实施例的百叶窗112组合而成。在每个百叶窗112中，以交替方式排列沿着一个方向延伸的带状透明区域112a和吸收区域112b。构成百叶窗212的底层的百叶窗112中透明区域112a和吸收区域112b排列的方向与构成百叶窗212的顶层的百叶窗112中透明区域112a和吸收区域112b排列的方向正交。上述彼此正交的两个排列方向都位于XY平面内，并且例如相对于+X方向倾斜45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显示设备21的操作，但是首先描述光源单元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锥体的锥体片61的操作。图20A至20G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、具有倾斜锥体的锥体片61的光学操作；其中图20A、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20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20A至20G，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，除了锥体在+X方向中倾斜了10度。图21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22是示出了图21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23是示出了图21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21至23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。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。
接着描述本实施例的显示设备21的操作。从光源单元11沿着正向发射的具有高方向性的光进入百叶窗212。百叶窗212不仅吸收在Y方向中具有大角度的光线，而且还吸收入射方向相对于百叶窗212的光入射表面与此入射表面的法线方向偏离大角度的光线，并且发射在二维中方向性进一步增加的光。因为从光源单元11发射的光此时在二维中拥有足够增加的方向性，所以被百叶窗112吸收的光仅仅是由于光源设备的散射等出现的极少量光。具体地，使得由百叶窗112带来的光通量减少最小化。从百叶窗212发射、并且具有高方向性分布的光进入透明/散射状态切换元件122，并且随后的操作与前述第一实施例相同。
在如此配置的第二实施例中，百叶窗由两层构成，并且每一层中透明区域和吸收区域的排列方向彼此正交。因此，从光源单元11发射的光的方向性可以相对于X轴方向和Y轴方向都增加。具体地，可以在二维中增加光的方向性。结果，当透明/散射状态切换元件122处于透明状态时从显示屏幕发射的光不仅在显示屏幕的水平方向而且在垂直方向中具有增加的方向性。当透明/散射状态切换元件122处于散射状态时，从显示屏幕发射的光在显示屏幕的水平方向和垂直方向中二维加宽。因此，在本实施例的显示设备中，可以相对于显示屏幕在二维中改变视角。因为此时从光源设备发射的光线在正向中具有二维方向性，所以使由于百叶窗造成的光损耗保持绝对最小，并且可以大大提高宽角度显示期间的亮度。
在本实施例中，当使用具有正交排列层的百叶窗时，使用在正向中发射具有二维高方向性的光的光源是尤其重要的。这是因为当从光源设备发射的光的方向偏离正向(+Z方向)时，百叶窗吸收的光通量数量增加，并且光利用效率降低。本实施例除了上述效果之外的其他效果与前述第一实施例相同。
本实施例中使用的百叶窗具有两个正交排列的层，但是相交角度，具体地，顶层和底层中的透明区域和吸收区域的排列方向彼此之间所形成的角度不限于直角，并且可以按需设置不同角度。然而，使用正交排列可以获得XY平面中最为各向同性的方向性。百叶窗还是由两层形成的，但是也可以使用圆形透明区域112a在吸收区域112b中排列为矩阵的百叶窗，如图24所示。还可以使用这样的百叶窗，其中方形透明区域112a在吸收区域112b中排列为矩阵，如图25所示。通过这种配置，可以由一层来增加二维中的方向性，这允许获得比使用两个百叶窗层的情形中更薄的显示设备。透明区域排列为矩阵的方向可以设置为相对于X-Y轴的不同角度。由此可以减小与显示面板的相互影响而生成的波纹。从光入射方向观察时透明区域的形状可以是不同于矩形或圆形的形状，并且例如可以是椭圆形或矩形。
接着描述根据本发明第三实施例的光源设备、显示设备、终端设备及光学部件。图26是示出了本实施例的显示设备的截面图；图27是示出了本实施例的光源设备的光源单元的立体图。如图27所示，在本实施例的光源单元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28和29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，其中示出了X方向和Y方向。图30是示出了图29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31是示出了图29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28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30和31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。通过这种配置，可以使由于百叶窗造成的光损耗保持绝对最小，并且可以大大提高宽角度显示期间的亮度。当应用本发明第一实施例中所述的一维百叶窗时，也可以获得相同的亮度提高效果。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、显示设备、终端设备及光学部件。图32是示出了本实施例的显示设备的截面图。如图32所示，在本实施例的显示设备23中，直接在光源单元13中的百叶窗212上形成锥体64。具体地，百叶窗和锥体片一体形成。本实施例的配置中除了上述之外的其他方面与前述第三实施例相同。
在如此配置的第四实施例中，不仅与第三实施例的显示设备一样大大提高了宽角度显示期间的亮度，而且将锥体直接形成在百叶窗上使得可以减小光源设备、显示设备以及终端设备的厚度。还可以放置锥体片和百叶窗彼此靠近放置时出现的干涉条纹。本实施例的其他效果与前述第三实施例相同。
接着描述根据本发明第五实施例的光源设备、显示设备、终端设备及光学部件。图33是示出了本实施例的显示设备的截面图；并且图34是示出了本实施例的百叶窗的立体图。如图33所示，在本实施例的显示设备24中，直接在光源单元14中的百叶窗213上形成锥体64，并且锥体64不倾斜，与第一实施例相同。如图34所示，向百叶窗213的每一层所提供的带状吸收区域112b的侧面相对于Z轴方向以偏离Z轴11度的倾斜角度倾斜。本实施例的配置中除了上述之外的其他方面与前述第三实施例相同。
在如此配置的第五实施例中，因为锥体64的母线(中轴)与Z轴方向平行，所以从光波导发射、被锥体片折射及全反射的光线沿着偏离Z轴方向大约11度的方向传播。百叶窗的吸收区域的侧面也是偏离Z轴方向11度。因为百叶窗中透明区域和吸收区域之间的边界实质上与光从锥体片的发射方向对准，所以百叶窗可以透射从锥体片发射的最大量的光，具体地，沿着偏离Z轴方向11度的方向传播的光。通过这种配置，可以进一步减小由百叶窗带来的光损耗，并且可以大大提高宽角度显示期间的亮度。本实施例的其他效果与前述第四实施例相同。
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；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；光方向调节元件，用于调节从所述光学部件入射的光的方向，并且发射光；以及透明/散射状态切换元件，能够在透射从所述光方向调节元件入射的光的状态与散射光的状态之间切换；其中所述光源沿着所述光引导部件的光入射表面放置；所述光学部件在其光入射表面上具有二维排列的多个光学元件；并且入射光沿着与包括所述入射方向和所述第一方向的平面正交的方向发射，并具有增加的方向性。
2.根据权利要求1所述的光源设备，其中所述光学部件具有由透明材料构成的平板；所述光学元件形成在所述平板上，并且包括由透明材料形成的多个圆锥体；所述圆锥体形成在所述平板上面对所述光引导部件的表面上；并且所述圆锥体的中轴彼此平行。
3.根据权利要求2所述的光源设备，其中包括所述光学部件中的所述圆锥体的顶点的一行的相不同于其他行的相。
4.根据权利要求2或3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。
5.根据权利要求2或3中任一项所述的光源设备，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。
6.根据权利要求2或3中任一项所述的光源设备，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。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，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。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，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。
9.根据权利要求8所述的光源设备，其中所述光源沿着所述光波导的所述表面放置。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，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。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，其中在所述光方向调节元件中沿着与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区域以及用于吸收所述光的吸收区域；并且所述光方向调节元件调节所述排列方向中光的角度范围。
12.根据权利要求11所述的光源设备，其中所述光方向调节元件具有彼此层叠在一起的第一和第二层，所述第一层中所述透明区域和吸收区域的排列方向与所述第二层中所述透明区域和吸收区域的排列方向正交。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，其中当从所述光方向调节元件中的光的所述入射方向观察时，用于透射光的所述透明区域在用于吸收光的所述吸收区域中排列为矩阵形式。
14.根据权利要求13所述的光源设备，其中当从光的所述入射方向观察时，所述透明区域的形状为圆形、椭圆形、方形或矩形。
15.根据权利要求11所述的光源设备，其中所述透明区域和所述吸收区域之间的边界平行于所述第二方向。
16.根据权利要求11所述的光源设备，其中所述透明区域的排列方向相对于所述光学元件的排列方向倾斜。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，其中所述光方向调节元件与所述光学部件一体形成。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，其中所述光源沿着所述光引导部件的光入射表面放置。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的光源设备，其中沿着所述光引导部件的光入射表面放置的光源是冷阴极管。
20.一种显示设备，包括根据权利要求1至3中任一项所述的光源；以及显示面板，用于通过透射从所述光源发射的光，将图像与光关联起来。
21.根据权利要求20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光学元件的排列方向倾斜。
22.根据权利要求20或21所述的显示设备，其中所述显示面板是液晶面板。
23.根据权利要求22所述的显示设备，其中所述液晶面板根据横向场原理、多域垂直对准原理或者膜补偿TN原理操作。
24.一种终端设备，包括根据权利要求20或21中任一项所述的显示设备。
25.根据权利要求24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。
26.根据权利要求25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。
27.一种光学部件，包括光方向调节元件，用于调节入射光的方向，并出射光；和在所述光方向调节元件上一体形成的、由透明材料构成的多个圆锥体。
28.根据权利要求27所述的光学部件，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。
29.根据权利要求27或28所述的光学部件，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光方向调节元件的表面，并且包括三个彼此不同的方向。
30.根据权利要求27或28所述的光学部件，其中所述圆锥体的中轴相对于与所述光方向调节元件的表面相垂直的方向倾斜。
31.根据权利要求27或28所述的光学部件，其中所述光方向调节元件中所述光线调节方向相对于光入射表面的法线方向倾斜。
全文摘要
公开了一种光源设备、显示设备、终端设备以及光学部件。在显示设备中，依次提供了光源单元、百叶窗、透明/散射状态切换元件以及透射液晶面板，向光源单元提供了光波导和锥体片，并且光源放置在光波导的侧面。将光波导的光出射表面制成平坦，并且在光漫射表面中形成倾斜表面，其相对于光出射表面向着光源侧倾斜。向锥体片提供平板，并且在平板的光入射表面上二维排列多个圆锥体。这些圆锥体的中轴彼此平行。透明/散射状态切换元件能够在透射入射光的状态与散射入射光的状态之间切换。通过这种配置，获得了高方向性、高亮度并且对于光源安装位置没有限制的光源设备。
文档编号G02F1/1335GK1841163SQ20061007160
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