專利名稱：光源設備、顯示設備、終端設備以及光學部件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠切換照射的角度范圍的光源設備、 一種配備 有這種光源設備并能夠切換能見度的角度范圍的顯示設備、 一種配備 有該顯示設備的終端設備以及一種在上述光源設備中使用的光學部 件。
背景技術：
由于其外形薄、重量輕、尺寸小、耗能低以及其它優(yōu)點，已經廣泛地開發(fā)了使用液晶的顯示設備，并用于一系列設備中，包括監(jiān)視 器、電視(TV:電視)和其它大型終端設備；筆記本型個人計算機、 自動取款機、自動售貨機和其它中型終端設備；以及個人TV、 PDA(個 人數字助理個人信息終端)、移動電話、移動游戲設備和其它小型終 端設備?？傮w上，可以根據所使用的光源的類型，將這些液晶顯示設 備分為透射、反射或透反(結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，對比度和顯示性能的其它方面較差。因此，當前透射和透反液 晶顯示設備是主流。在透射和透反液晶顯示設備中，將光源設備安裝 在液晶面板的背面，并且利用由光源設備發(fā)射的光來產生顯示。具體 地，與液晶面板分離的光源設備在當前主流液晶顯示設備中是主要的。 在作為液晶顯示設備的主要組件的液晶面板中，通過利用電場控 制液晶分子的取向來顯示信息，但是，根據液晶分子的類型和初始取 向、電場的方向等的組合，已經提出了多種模式。在這些模式中，傳統終端設備中最常使用的模式包括利用簡單矩陣結構的STN (超扭轉向列)模式和利用有源矩陣結構的TN (扭轉向列)。然而，在使用這些模式的液晶面板中，能夠正確地區(qū)分對比度的角度范圍較窄，并且 在最優(yōu)觀看位置以外出現了灰度級反轉。在移動龜話和其它終端設備中，當顯示內容主要包括電話號碼和 其它字符時，灰度級反轉的問題相對不明顯。但是，隨著近年來技術 的發(fā)展，終端設備不僅顯示文本信息，還顯示大量圖像信息。因此， 灰度級反轉嚴重地降低了圖像的能見度。因此，逐漸地在終端設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)分對比度 而不會出現灰度級反轉的角度范圍較寬。通常將具有該類型模式的液晶面板稱作寬視角液晶面板，并且其中應用了面內切換系統(in-plane switching mode)和其它面內模式(in-plane mode)、多域垂直對準 模式(multi-domain vertical mode)等。由于通過使用這些寬視角 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 備基板上是個人工具，正在開發(fā)并逐漸地安裝了可由多人同時欣賞并 且設計用于與他人共享信息的應用。另一方面，中型終端設備的特征在于不僅在嚴密安全的封閉房間 中使用，還在公共場合使用。于是，阻止第三方觀看私密信息和機密 信息的顯示變得非常重要。尤其是近年來，隨著終端設備的發(fā)展，顯 示私密信息和機密信息的場合已經增多，并且對于防竊聽技術的需求 正在增加。因此，存在對于開發(fā)能夠防竊聽的技術的需求，通過變窄 顯示可見的角度范圍，使得只有用戶才能夠觀看顯示。如上所述，同時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。還需要在單個終端設備中在這兩種類型的顯示器之間進 行切換的能力。因此，為了滿足這種需要，己經提出了一種顯示器， 其中如此設計對于液晶顯示設備不可或缺的光源，使得能夠改變視角 的范圍。圖35是示出了日本待審公開專利申請9-244018中所述的傳統視 角受控液晶顯示設備的示意截面圖；以及圖36是示出了其中使用該視角受控液晶顯示設備的一種照明設備的示意立體圖。如圖35所示，傳 統的視角受控液晶顯示設備1101包括液晶顯示元件1102、散射控 制元件(散射控制裝置)1103;以及照明設備(背光)1104。散射控
制元件1103被設置在液晶顯示元件1102和照明設備1104之間。如圖 36所示，照明設備H04配備了不透明開縫片(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 在面對光發(fā)射表面1123的表面上提供反射片1124，用于反射來自光 源1122的光。不透明開縫片1120 —側的表面形成了光發(fā)射表面1123， 用于發(fā)射來自光源1122的光，并將光引導向不透明開縫片1120。在 不透明幵縫片1120中，在半透明片的一個表面上，彼此平行地設置沿 一個方向延伸的多個線性不透明部件。不透明部件延伸的方向與顯示 單元的垂直方向一致。
在日本待審公開專利申請9-244018中所述的傳統視角受控液晶 顯示設備中，從光源1122發(fā)射的光通過不透明開縫片1120照射到散 射控制元件1103。當從光發(fā)射表面1123發(fā)射的光通過不透明開縫片 1120時，不透明開縫片1120增大了透射光的準直性。因此，在相對 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縫片1120 的表面正交的方向的透射光。然后，從照明設備1104發(fā)射的光進入散 射控制元件1103。散射控制元件1103根據施加電壓的存在來控制入 射光線的散射特性。當散射控制元件1103處于散射狀態(tài)時，由散射控 制元件1103散射來自照明設備1104的光；而當散射控制元件1103 處于透射狀態(tài)時，不散射來自照明設備1104的光。
在如上配置的視角受控液晶顯示設備1101中，當散射控制元件 1103處于散射狀態(tài)時，由散射控制元件1103散射從照明設備1104發(fā) 射的高度準直的光，并使其進入液晶顯示元件1102。結果，已經通過 液晶顯示元件1102的光沿顯示單元的視角內的所有方向釋放，并且可 以從除了顯示單元正前方的位置以外的位置來辨別所顯示的內容。相 反，當散射控制元件1103處于透射狀態(tài)時，使從照明設備1104發(fā)射 的高度準直的光在保持高準直度的同時進入液晶顯示元件1102，而不由散射控制元件1103進行散射。結果，液晶顯示元件1102的透射光 不會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 從這種位置觀看時，屏幕變暗，并且不可能辨認所顯示的內容。利用 該配置，只有直接面向顯示單元的觀察者才能夠辨認所顯示的內容。
如上所述，在具有上述配置的視角受控液晶顯示設備1101中， 由于可以通過散射控制元件1103來控制光的散射特性，所以可以控制 所顯示內容的視角特性。具體地，由于可以通過照明設備1104向液晶 顯示元件1102發(fā)射高度準直的光，當將散射控制元件1103設置在透 射狀態(tài)時，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 夠辨認所顯示內容的視角特性。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顯示單元的位置來辨
認所顯示內容的狀態(tài)。
以前已經研究了具有增大方向性的光源設備。圖37是示出了 2004
年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁到21頁引用的第一傳統高方 向性光源設備的示意立體圖。如圖37所示，第一傳統高方向性光源設 備包括光源2101;光波導2102，用于以平面方式傳播并發(fā)射由光源 2101發(fā)射的光；設置在光波導2102的光出射表面一側的漫射片2103; 設置在漫射片2103上的兩個棱柱片2104和2105;設置在棱柱片上的 漫射片2106;以及設置在光波導2102的光出射表面的相反一側上的 反射片2107。在光波導2102的表面上印刷點的形狀。在兩個棱柱片 2104和2105中形成沿一個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，如此設置棱柱片2104和2105，使得
棱柱面向上(與光波導相反的一側)。
在具有該類型的配置并且在2004年4月發(fā)行的Monthly Display
第14頁到21頁引用的第一傳統高方向性光源設備中，從光源2101 發(fā)射的光進入光波導2102并且在光波導2102中傳播。然后， 一部分 光被印刷的點圖案散射，并從光波導2102的發(fā)射面發(fā)射。通過設置在光波導2102和棱柱片2104之間的漫射片2103，增強了從光波導2102 發(fā)射的光的照度均勻比，并且光進入棱柱片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。結果光線被聚焦在正向，并且增 強了正向亮度。
圖38是示出了 2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁到 21頁引用的第二傳統高方向性光源設備的示意立體圖。如圖38所示， 第二傳統高方向性光源設備包括線光源3101;光波導3102，用于以 平面方式傳播并發(fā)射由光源3101發(fā)射的光；設置在光波導3102的光 出射表面一側的棱柱片3103;以及設置在光波導3102的光出射表面 的相反側上的反射片3104。光波導3102是一種不光滑棱柱光波導， 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側的表面(相反側表面)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一側，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頁到21頁引用的第二傳統高方向性光源設備中，從光源3101 發(fā)射的光進入光波導3102并且在光波導3102中傳播。然后，通過形 成在光出射表面(光波導3102的棱柱片一側的表面)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3102發(fā)射。從光波 導3102發(fā)射的光處于略微偏離光波導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。該光進入棱柱片3103,但是被相反側上的棱柱 的傾斜面全反射，并在被入射側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)射的光相對于與光源正交的方向也具有高 方向性。另一方面，通過在光波導3102的反射片3104側的表面中形
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是示出了第二傳統高方向性光源設備的方向性特性 和第一傳統高方向性光源設備的方向性特性的比較結果的圖，其中水 平軸表示出射角，垂直軸表示光強度。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頁到21頁中圖14所述的內容。如圖 39A和39B所示，在第二傳統高方向性光源設備中，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高方向性光源設備。
圖40是示出了日本待審公開專利申請2003-215584中所述的第 三傳統高方向性光源設備的示意立體圖，圖41是其截面圖。如圖40 所示，第三傳統高方向性光源設備主要包括光波導4132、發(fā)光單元 4133、反射板4134以及漫射棱柱片4135。利用聚碳酸酯樹脂、甲基 丙酸烯樹脂或其它透明樹脂形成方平板形的光波導4132，并且在其背 面上形成光漫射圖案。當在平面內觀察時，通過以某一角度切割拐角 部分，在光波導4132的拐角部分的一個位置中形成光入射面4137。 在發(fā)光單元4133中，將一個或多個LED (發(fā)光二極管)密封在透明塑 模樹脂中，并由白色樹脂覆蓋除塑模樹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，或者在被塑模樹脂和白 色樹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光波導4132的 光入射面4137。光波導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，內部LED)為中心的同心弧形，并且每個 光漫射圖案4136是通過將光波導4132的背面凹入形成的曲線，其截 面為非對稱三角形形狀。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，并且在面內觀察時，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，并且被放置為面對光波導4132的整個背面。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專利申請2003-215584中 所述的第三傳統高方向性光源設備中，從發(fā)光單元4133發(fā)射的光p 從光入射面4137進入光波導4132，如圖41所示。從光入射面4137 進入光波導4132的光p在光波導4132中以徑向方式傳播，但是光入 射面4137中形成的光學元件4144如此設計，使得此時在光波導4132 中傳播的光P的每個方向中的光強度與每個方向中光波導4132的表面 面積成比例。進入光波導4132的光p在光波導4132內沿著離開發(fā)光 單元4133的方向傳播，同時在光波導4132的頂面和底面之間重復經 歷全反射。每當光被截面為三角形形狀的光漫射圖案4136反射時，入 射到光波導4132的底面上的光p入射到光波導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穿過光出射面4145，并且出射到光波導4132的 外部。每個光漫射圖案4136還被布置為與將發(fā)光單元4133連接到每 個光漫射圖案4136的方向正交。因此，即使在光波導4132中傳播的 光P被光漫射圖案4136漫射，光p在與光波導4132垂直、并包括將 發(fā)光單元4133連接到光漫射圖案4136的方向的面內被漫射，但是在 與光漫射圖案4136的切線平行的面內不會被散射，而是直線向前行 進。沒有被光波導4132的頂面反射就穿過底面的光p直接被面對光波 導4132的底面的反射板4134反射，返回到光波導4132，并且再次在 光波導4132中傳播。在極小的發(fā)散之后，由于穿過漫射棱柱片4135 的棱柱片4140，從光波導發(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 適當的程度，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，上述傳統視角受控液晶顯示設備具有如下的問題。具體地， 在日本待審公開專利申請9-244018中描述的傳統視角受控液晶顯示
設備中，通過使用不透明開縫片來阻擋相對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，來增加從照明設備的照射單元發(fā)射 的光的方向性。因此，在這種傳統顯示設備中，從光源發(fā)射的光的利用效率較低。從不透明開縫片發(fā)射的高度定向光進入散射控制元件。 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。在這種顯示設備中，因為己經穿過不透明 開縫片、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縫片的常規(guī)照明 設備相比，顯示的能見度大大降低。
發(fā)明人進行了集中研究，以便克服該問題。結果，發(fā)明人發(fā)現， 通過增加從光源設備(照明設備的照射單元)發(fā)射的光的方向性，有 效地增加了由不透明開縫片(后文稱作光方向調節(jié)元件)透射的光通 量的數量。光方向調節(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逐漸減小。這是因為當角度增加時，不
透明縫的視在開口面積比(apparent open area ratio)減小。具體 地，通過增加從光源設備發(fā)射的光的方向性，并且將光通量集中在光 方向調節(jié)元件的透射率高的正向，可以增加穿過光方向調節(jié)元件的光 通量。更優(yōu)選地，在光方向調節(jié)元件的面內方向中以二維方式增加從 光源設備發(fā)射的光的方向性，但是通過至少增加不透明縫的對準方向 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，發(fā)明人進行了對傳統高方向性光源設備的額外研 究，以便提高傳統視角受控液晶顯示設備在寬視場顯示期間的亮度。 結果確定，即使使用傳統高方向性光源設備，亮度的提高也是不夠的。
在2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14頁到21頁上引用
的第一傳統高方向性光源設備中，從光波導發(fā)射并且由漫射片給予了 更均勻亮度的光通量被兩個正交排列的棱柱片折射。結果，增加了正 向的方向性，但是即使兩個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。結果，由光方向調節(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頁到21頁上引用 的第二傳統高方向性光源設備中，在與光源垂直的方向中，可以獲得比第一傳統光源中更高的方向性，因為利用棱柱片的全反射，從光波 導發(fā)射的、具有高方向性的光通量沿著正向發(fā)射。通過設置在光波導 的反射片一側、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 會聚特性的增加受到限制。因此，當這種光源設備安裝在移動電話的 顯示設備中時，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。然后將光源設備的光源放置在顯示屏幕的左右兩側。 然而，因為在普通移動電話中機殼做得較薄，所以不可能將光源放置 在顯示屏幕的左右兩側。因此，在第二傳統高方向性光源設備應用于 移動電話時，光源被放置在顯示屏幕的上下兩側，但是難以增加左/ 右方向中的方向性。結果，由光方向調節(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，在日本待審公開專利申請2003-215584中所述的第三傳統 高方向性光源設備中，通過將光源做成點光源，并且通過使用其中繞 著光源布置了同心圓圖案的光波導以及漫射棱柱片，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位置，并且普通LED光源的強 度不夠。當使用其中多個LED安裝在單個封裝中的光源時，增加了光 源的強度，但是光源的集成受限于散熱問題。結果，由光方向調節(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備，其 中光源設備具有高方向性、高亮度，并且對光源的安裝位置沒有限制; 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 力的顯示設備；提供一種安裝了這種顯示設備的終端設備；并且提供 一種結合在光源設備中的光學部件。
根據本發(fā)明的光源設備具有光源；光引導部件，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；光學部件，用于沿著第二方向發(fā)射從光引導部件入射的光，其中所述 第二方向不同于所述第一方向；光方向調節(jié)元件，用于調節(jié)從光學部 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。
光源沿著光引導部件的光入射表面放置；光學部件在其光入射表面上 具有二維排列的多個光學元件；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。因為本發(fā)明還具有光方向調節(jié)元件，所以可以進一步增加光的方 向性。另外，因為從光源發(fā)射的大部分光可以從光學部件沿著第二方 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。因為光學元件在光學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，并且通過單個光 學部件可以增加與前述平面正交的方向中的方向性。另外，通過采用 如下方法，顯示設備上可以辨別圖像的視角范圍可以在兩級之間切換-在所述方法中，通過使透明/散射狀態(tài)切換元件處于透明狀態(tài)，變窄從 顯示設備發(fā)射的光的照射角度，并且通過使透明/散射狀態(tài)切換元件處 于散射狀態(tài)，加寬從顯示設備發(fā)射的光的照射角度。可以采用這樣的配置，其中光學部件具有由透明材料構成的平 板，光學元件形成在所述平板上，且包括由透明材料形成的多個圓錐 體；這些圓錐體形成在平板上面對光引導部件的表面上；并且這些圓 錐體的中軸彼此平行。
此時，優(yōu)選地，包括光學部件中的圓錐體的頂點的一行的相
(phase)不同于其他行的相。優(yōu)選地，將圓錐體的頂點連接起來的假 想直線的方向平行于平板的表面，并且包括三個彼此不同的方向。通 過這種配置，可以最小化在光學部件與顯示面板組合使用時波紋
(moire)的出現。
優(yōu)選地，圓錐體的中軸相對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。通過這種配置，可以使從光源 設備發(fā)射的光的強度分布中心位于與錐體片的平板相垂直的方向中。
另外，可以在平板中沒有形成圓錐體一側的表面上形成漫射圖 案，用于漫射透射光。光源還可以包括點光源，并且可以在光引導部 件上來自點光源的光入射的表面上形成用于漫射光的漫射圖案。通過 這種配置，可以將點光源制成均勻的線光源，并且可以提高光源設備 中發(fā)射光的面內分布的均勻性。
另外，光引導部件可以包括光波導，光從其側面入射到所述光波 導，并且在光波導中面對光學部件的光發(fā)射表面相反側的表面上可以 形成傾斜表面，所述傾斜表面相對于光發(fā)射表面向著光源側傾斜。通 過這種配置，可以增加從光引導部件發(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，根據本發(fā)明的光源優(yōu)選地具有反射片，當從光引導部件觀 察時，所述反射片位于光學部件所處一側相反的一側。由此可以進一 步提高光的亮度。
在該實例中，可以采用這樣的配置，其中在光方向調節(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；并且光方向調節(jié)元件調節(jié)排列方向中光
的角度范圍。
光方向調節(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。由此可以進一步在二維中提高光的方向性。
當從光方向調節(jié)元件中的光的入射方向觀察時，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，當從 光的入射方向觀察時，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)域的排列方向相對于光學元件的排列方向 傾斜。由此可以減少由于光方向調節(jié)元件和光學部件而出現的波紋。光方向調節(jié)元件還可以與光學部件一體形成。通過這種配置，可 以減小顯示設備的厚度。
根據本發(fā)明的顯示設備包括光源設備；以及顯示面板，用于通 過透射從光源設備發(fā)射的光，將圖像與光關聯起來。
利用本發(fā)明，因為光源設備的亮度較高，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備。
另外，優(yōu)選地，顯示面板的像素排列方向相對于光學元件的排列 方向傾斜。由此可以減少由于顯示面板和光學部件而出現的波紋。
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 根據橫向場原理、多域垂直對準原理或者膜補償TN原理操作。通過這 種配置，可以最小化顯示中的灰度反轉，并且在透明/散射狀態(tài)切換元 件處于散射狀態(tài)時可以提高能見度。
根據本發(fā)明的終端設備的本質特征在于，該終端設備具有前述顯 示設備。該終端設備也可以是移動電話、個人信息終端、游戲設備、 數碼相機、攝像機、視頻播放器、筆記本型個人計算機、自動取款機 或者自動售貨機。
當終端設備為移動電話時，光源優(yōu)選地位于顯示屏幕的頂部或底 部。通過這種配置，不需要在該移動電話中的顯示屏幕左右兩側保留 放置光源的空間，并且同時可以獲得薄機殼和大屏幕。
根據本發(fā)明的光學部件具有光方向調節(jié)元件，用于調節(jié)入射光
的方向，并出射光；和在光方向調節(jié)元件上一體形成的、由透明材料
構成的多個圓錐體。
利用本發(fā)明，光引導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、對于光源安裝位置沒有限 制、并能夠切換施加范圍的光源設備。通過使用這種光源設備，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備。


圖1是示出了根據本發(fā)明第一實施例的顯示設備的截面圖；圖2是示出了根據本發(fā)明第一實施例的光源設備的光源單元的立 體圖3是示出了裝配有根據本發(fā)明第一實施例的顯示設備的移動終 端設備的立體圖4是示出了根據本發(fā)明第一實施例的光源設備中所使用的錐體 片的立體圖5示出了光源開啟情形中的光學模型的立體圖6是沿著圖5所示的線A-A的截面的光學模型圖7是沿著圖5所示的線B-B的截面的光學模型圖8是用于本發(fā)明第一實施例中計算機仿真的光學模型圖9是示出了本發(fā)明第一實施例中在光源開啟時的仿真結果的
圖，并且具體地示出了從光波導發(fā)射時的光強度分布；
圖IO是示出了圖9所示的光強度分布中X軸方向的光強度分布
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
度；
圖11是示出了本發(fā)明第一實施例中在光源開啟時的仿真結果的 圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時的光強度分布；
圖12是示出了圖ll所示的光強度分布中X軸方向的光強度分布 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 強度；
圖13是示出了圖ll所示的光強度分布中Y軸方向的光強度分布 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 度；
圖14是示出了向光入射表面提供了漫射圖案的光波導的立體圖； 圖15是示出了向光出射表面提供了二維圖案的光波導的立體圖； 圖16是示出了根據本發(fā)明第二實施例的顯示設備的截面圖； 圖17是示出了根據本發(fā)明第二實施例的光源設備的光源單元的 立體圖18是示出了根據本發(fā)明第二實施例的光源設備中所使用的錐 體片在XZ平面中的截面圖；圖19是示出了根據本發(fā)明第二實施例的顯示設備中所使用的百
葉窗(louver)的立體圖20A至20G示出了在入射到錐體片上的光線方向改變時對發(fā)射 光進行仿真的結果，以便表示具有傾斜角度為IO度的圓錐體的錐體片 的光學操作；其中圖20A、 B、 C、 D、 E、 F和G分別示出了當入射角度 為偏離Z軸10度、20度、30度、40度、50度、60度以及70度時的 結果；
圖21是示出了本發(fā)明第二實施例中在光源開啟時的仿真結果的 圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時的光強度分布；
圖22是示出了圖21所示的光強度分布中X軸方向的光強度分布 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 強度；
圖23是示出了圖21所示的光強度分布中Y軸方向的光強度分布 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 度；
圖24是示出了根據本發(fā)明第二實施例的顯示設備中所使用的百 葉窗的平面圖25是示出了根據本發(fā)明第二實施例的顯示設備中所使用的百 葉窗的平面圖26是示出了根據本發(fā)明第三實施例的顯示設備的截面圖； 圖27是示出了根據本發(fā)明第三實施例的光源設備的光源單元的 立體圖28是示出了本發(fā)明第三實施例中在光源開啟時的仿真結果的 圖，并且具體地示出了從光波導發(fā)射時的光強度分布；
圖29是示出了本發(fā)明第三實施例中在光源開啟時的仿真結果的
圖，并且具體地示出了從錐體片發(fā)射時的光強度分布；
圖30是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強度分布中X軸方
向的光強度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且 在垂直軸代表光強度；
圖31是示出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強度分布中Y軸方向的光強度分布的曲線圖，其中水平軸代表Y軸方向中的視角，并且 垂直軸代表光強度；
圖32是示出了根據本發(fā)明第四實施例的顯示設備的截面圖33是示出了根據本發(fā)明第五實施例的顯示設備的截面圖34是示出了根據本發(fā)明第五實施例的顯示設備中所使用的百 葉窗的立體圖35是示出了日本待審公開專利申請9-244018中所述的傳統視 角受控液晶顯示設備的示意截面圖36是示出了日本待審公開專利申請9-244018中所述的傳統視 角受控液晶顯示設備中所使用的照明設備的示意截面圖37是示出了 2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14至21
頁上所述的第一傳統高方向性光源設備的立體圖38是示出了 2004年4月發(fā)行的Monthly Display第14至21
頁上所述的第二傳統高方向性光源設備的立體圖39A和39B是示出了第二傳統高方向性光源設備的方向性特性
和第一傳統高方向性光源設備的方向性特性的比較結果的圖，其中水 平軸表示出射角，垂直軸表示光強度；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專利申請2003-215584中所述的第
三傳統高方向性光源設備的立體圖41是示出了日本待審公開專利申請2003-215584中所述的第
三傳統高方向性光源設備的截面圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖詳細描述根據本發(fā)明實施例的光源設備、顯示設 備、終端設備及光學部件。首先描述根據本發(fā)明第一實施例的光源設 備、顯示設備、終端設備及光學部件。圖1是示出了根據本實施例的 顯示設備的截面圖；圖2是示出了該顯示設備的光源單元的立體圖； 圖3是示出了裝配有本實施例的顯示設備的移動終端設備的立體圖； 并且圖4是示出了本實施例的光源設備中所使用的錐體片的立體圖。如圖1所示，在根據本第一實施例的顯示器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構成了根據本實施例的照 射角度切換類型光源設備。
如圖1和2所示，在光源單元l中提供了光波導3;位于光波 導3的正面一側(具體地，在觀察者一側)的錐體片6;以及位于光 波導3側面的光源51。光波導3的正面，具體地，錐體片6—側的表 面是光出射表面43。相反側，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3上的光直接照射傾斜表面41。光源51包括沿著側面(光波 導3中光入射到的表面)以幾乎相同的間隔排列的多個LED。
為了本說明書的方便，如下所述建立了XYZ正交坐標系統。從光 源51到光波導3的方向為+ X方向，并且相反方向為一X方向。+X 方向和一X方向被統稱為X軸方向。在與光波導3的光出射表面43平 行的方向內，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，從光漫射 表面44到光出射表面43的方向為+Z方向，并且相反方向為一Z方向。 十Z方向是正向，具體地，向著觀察者的方向。十Y方向是其中建立右 手坐標系統的方向。具體地，當人的右手拇指在+ X方向中，并且食 指在+ Y方向中時，中指在+ Z方向中。
如上所述，當建立了XYZ正交坐標系統時，光波導3的光出射表 面43變?yōu)閄Y平面，當從光波導3觀察時光源51位于一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3內至少在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(見圖19)以及用于吸 收光的吸收區(qū)域112b (見圖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透 明基板109，并且如此提供電極IIO，以便覆蓋每個透明基板中面對另 一透明基板的表面。在電極IIO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Ulb。通過使用電極IIO對向夾在電極之間的PDLC 層lll施加電壓，來改變PDCL層中液晶分子的取向狀態(tài)。例如，通過 曝光將光固化樹脂的基體和液晶材料固化，來形成PDLC層lll。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3的光漫射表面44中，沿+X方向依次重 復排列傾斜表面41和平坦表面40。在圖1中僅示出了傾斜表面41的 一個實例，以便簡化附圖，但是傾斜表面41實際上形成在多個位置中， 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3內沿+ 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的傾斜角度的絕對值是6度。在+X方向中，從傾斜 表面41到平坦表面40的過渡的邊界形成Z軸方向中的臺階。平坦表 面40和傾斜表面41在光波導3的整個長度上沿著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成的平板63， 并且在平板63的背面上形成了多個錐體64。平板63與XY平面平行， 并且錐體64沿著一Z方向突出，g卩，向著光波導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的頂點沿著兩 個方向排列，包括Y軸方向和XY平面中相對于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的頂點連接起來的假想直線的延伸方向總共構成三個 方向，包括Y軸方向以及XY平面中相對于Y軸方向成60度角度的方 向。利用這種配置，當將三個互相鄰近的錐體64的頂點連接起來時， 形成了一邊沿著Y軸方向延伸的假想等邊三角形。在一個示例中，錐體64的頂點在Y軸方向中等間距排列，間隔
為50um，并且由錐體的頂點形成的等邊三角形的邊長是50ym。錐體 64的頂角是70度，并且錐體的高度為36um。術語"頂角"是指由包 括錐體64的中軸的截面中的兩個錐面的邊形成的角度。透明樹脂適于 用作光波導3和錐體片6的材料，因為其易于成形，但是在本實施例 中使用折射率為1.5的聚甲基丙烯酸甲酯(P醒A: polymethyl methacrylate)。
如圖3所示，例如，根據本實施例的顯示設備2安裝在移動電話 9中。顯示設備2如此布置，使得移動電話的橫向和縱向分別對應于 光源設備的Y軸方向和X軸方向。具體地，移動電話9中的光源51(見 圖l)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施例的顯示設備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開啟情形中的光學模型的 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的一個實例以便簡化附圖。
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3，但是由于空氣和光波導3的樹脂材料之間的折 射率差異，根據Snell定理，由+X方向和光進入光波導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3的光線到達光波導3的光出射表 面43，但是因為其相對于Z軸方向的角度是48.2度，這大于41.8度 的臨界角，所以光線經歷全反射，而不會從光波導3出射。同樣，因 為當光線入射到傾斜表面41之外的其他區(qū)域時，在光漫射表面44中 也是以相同角度出現全反射，所以光線遠離光源51傳播，同時在光出 射表面43和光漫射表面44之間經歷重復的全反射。在此傳播期間， 當光入射到相對于X軸方向傾斜6度的傾斜表面41時，偏離傾斜表面 41的法線的角度變?yōu)?2.2度，但是因為該值大于41.8度的臨界角，所以光經歷全反射，而不會從傾斜表面41出射到光波導3的外部。全
反射的光相對于Z軸方向的角度變?yōu)?6.2度，這小于臨界角。因此， 到達光出射表面43的光從光波導3發(fā)射到外部，并且該發(fā)射之后的角 度相對于Z軸方向是62.4度。
如前所述，進入光波導3的光在入射之后相對于X軸方向總是處 于41.8度或更小的角度。因此，當光到達光出射表面43或光漫射表 面44時，該入射光的角度相對于Z軸方向為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中被全反射并傳播 通過光波導3的過程中，每當光被具有6度傾斜角度的傾斜表面41 全反射時，光行進時相對于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。結果，從光波導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方向性。
從光波導3以相對于Z軸方向為62. 4度角度發(fā)射的光進入錐體 片6。然而，因為錐體64的頂角為70度，所以光進入錐體64的角度 是7. 4度，錐體的入射面的法線與進入錐體64的光線的傳播方向之間 的角度變?yōu)?. 9度。光線然后到達錐體64的相對一側的側面，但是因 為相對于該側面的角度是偏離面法線65. 1度，所以光經歷全反射，并 且沿著偏離Z軸11. 1度的方向行進。根據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， 因為光源51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。結果，從錐體片6發(fā)射的光具有高 方向性，并且偏離+ Z方向為16. 8度角度。該結果不僅對線B-B如此， 而且對XY平面內其他角度也相同。因此，從錐體片6發(fā)射的光在偏離 十Z方向16.8度的方向中具有高方向性。具體地，光源單元l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執(zhí)行計算機仿真，以便研究上述設計 的有效性。圖8是示出了該仿真中使用的光學模型的圖。如圖8所示，光波導3的X軸方向長度、Y軸方向寬度以及Z軸方向高度被分別設 計為60mm、 40mm和0. 6mm，并且作為光源的發(fā)光面53被放置在光波 導3的一X方向一側的YZ平面中，從而入射方向為+X方向。發(fā)光面 53的Y軸方向寬度為40mm，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3的一Z方向一側的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 值被設置為10um，并且X軸方向中的間距被設置為0.2mm。
當從光波導3觀察時，在+ Z方向一側提供了錐體片6，其面對 下方，并且具有多個頂點面對一Z方向的錐體。如此布置錐體，使得 當從一Z方向觀察時，錐體的頂點形成等邊三角形，并且其一邊平行 于Y軸方向。錐體頂點在Y軸方向中的間距為50um，并且由錐體的 頂點形成的等邊三角形的邊長為50ym。錐體的頂角被設置為70度， 并且高度被設置為36 u m。錐體片6的厚度(包括錐體部分)是0. lmm， 并且在錐體片6的+ Z方向一側安裝光接收面55，其在X軸方向的長 度為IO醒，并且在Y軸方向的寬度為10mm。還在光波導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3發(fā)射的光的強 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3和錐體 片6的材料。
接著描述光源開啟時的光強度分布。圖9是示出了在光源開啟時 從光波導發(fā)射期間的光強度分布的極坐標圖，并且圖中示出了x方向 和Y方向。圖10是示出了圖9所示的光強度分布中X軸方向的光強度 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 直軸上繪制了光強度。圖11是示出了在光源開啟時從錐體片發(fā)射期間 的光強度分布的極坐標圖，并且圖中示出了 X方向和Y方向。圖12 是示出了圖11所示的光強度分布中X軸方向的光強度分布的曲線圖， 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 強度。圖13是示出了圖ll所示的光強度分布中Y軸方向的光強度分 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度。在圖9和11中，具有相等亮度的點由實線連接起
來，并且由這些實線包圍的區(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圖。
如圖9和10所示，在從光波導發(fā)射期間，X軸方向中光強度分布 的峰值出現在偏離Z軸一65度的方向中。Y軸方向的傾斜角度還是以 相對均勻的方式分布。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，光強度分布都是集中在30度或更小角度。具 體地，顯而易見的是，光源設備的照射范圍局限于窄范圍的角度，并 且當光源開啟時光被二維聚焦。
如上所述，在光源單元l中，因為只有光波導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l制造得更薄。 通過錐體片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軸方向中相對于發(fā)射方向(即，十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。
接著解釋本實施例的顯示設備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，從顯示設備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備的散射等出現的光，并且其量較小。具體 地，使得由百葉窗112帶來的光通量減少最小化。
如圖l所示，從百葉窗112發(fā)射、并且具有高方向性分布的光進 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lll施加電壓。因此，在PDLC層111中，液晶分子lllb隨機分散 在聚合物基體llla中，并且入射光被散射。因此，高方向性光被PDLC 層lll均勻散射，并且分散到寬范圍的角度中。具體地，通過百葉窗 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)?方向性降低的寬角度光。分布擴展到大范圍上的光進入透射液晶面板 7，并且毫無修改地被發(fā)射作為寬角度光，如圖l所示。于是在寬視角中顯示圖像。如前所述，從本發(fā)明中的光源設備發(fā)射的光的方向性相 對于發(fā)射表面二維增加，并且被百葉窗112吸收的光的數量被最小化。 因此，可以提高寬角度顯示期間的亮度。另外，因為不需要將光源放 置為點光源，并且可以在光波導的光入射表面上排列多個光源，所以 可以增加光源的強度，由此可以進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入透明/ 散射狀態(tài)切換元件122之前的過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lll 處于透明狀態(tài)，其中聚合物基體llla中分散的液晶分子lllb被取向。 具體地，具有高方向性的入射光毫無變化地透射。具體地，通過百葉 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。
接著將描述本實施例的效果。本實施例的光源設備提供了高亮 度，因為從光源單元中的光源發(fā)射的大多數光可以在相對于+ 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。通過將圖12 和13與圖39A和39B相比較，顯而易見，本實施例的光源設備的光源 單元的方向性高于傳統光源設備的方向性，尤其在Y軸方向中。因此， 本實施例的光源設備輻射高強度的光，并且本實施例的顯示設備的顯 示亮度較高。
在根據本實施例的光源設備中，只要光源沿著光波導的任意一邊 放置就足夠了。因此，對于光源安裝位置的限制很少，并且向設計賦 予了高度自由。例如，因為不需要將光源制成點光源，并且可以提供 多個點光源或者線光源，所以可以整體提高光源設備的亮度。當根據 本實施例的光源設備安裝在移動終端設備中時，不需要將光源放置在 顯示屏幕的左右兩側，并且可以將光源放置在顯示屏幕之上或之下。 因此，可以小型化移動終端設備的機殼。
另外，在本實施例中，因為從光源單元發(fā)射的光的方向性相對于 XY平面二維增加，所以光源設備不僅可以切換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，根據本實施 例的顯示設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行切換的能力。
另外，在根據本實施例的顯示設備中，光方向調節(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，通過將光穿過光方向調節(jié)元件，可以進一步提高從光源設 備發(fā)射的光在Y軸方向中的方向性。
另外，因為在本實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，不需要提供多個錐體片， 并且可以減小光源設備的厚度。
本發(fā)明中光波導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，只要表現出相同的效果。用于光波導的材料也不限于前 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 光波導內變化。傾斜表面的一定范圍的傾斜角度也可以分布在光波導 內。通過增加光波導中靠近光源的傾斜表面的間距，可以使光源設備 的發(fā)光平面中的亮度分布均勻。因為只要光波導能夠沿著偏離發(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，如第二傳統光源設備。也可以使用楔 形散射型光波導，如第三傳統光源設備。
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軸方向中錐體頂點的位置相優(yōu)選 地相對于Y軸方向是不均勻的。通過這種配置，當光源開啟時由光波 導發(fā)射的光與X軸方向中的相相對于Y軸方向均勻時的情形相比，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或其他點光源。尤其在使用LED時可以減小光源的厚度，但是如 圖14所示，向光波導的光入射表面提供漫射圖案31對于將點光源制 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 個凹陷構成。二維圖案32在放置在光源附近時對于使來自光源的光變 得均勻是尤其有效的。如前所述，可以將多個LED放置在光波導的光 入射表面上。
可以如此調整光源的強度，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 間切換時的不適。當光源由白色LED構成，并且白色LED由藍色LED 和黃色熒光粉構成時，可以通過電流的脈沖寬度調制來調整白色LED 的強度。在由藍色LED和黃色熒光粉構成的白色LED中，黃色熒光粉 被藍色LED發(fā)射的一部分藍光激發(fā)，并且發(fā)射黃光。藍光和黃光混合 在一起，生成白光。當調整電流量時，藍光和黃光的發(fā)射比波動，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變化。相反，當通過脈 沖調制來調整光強度時，通過調整發(fā)射時間比來實現光強度的調整， 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 像素中具有透射區(qū)域的任何面板。也可以使用在每個像素的一部分中 具有反射區(qū)域的透反液晶面板、各處可見透反液晶面板或者微反射液 晶面板。液晶面板對視角具有最小依賴性并且能夠在寬視角顯示期間 抑制對比度反轉是合適的。這種液晶面板的模式示例包括在水平場 模式中，IPS (面內切換)、FFS (邊緣場切換)、AFFS (高級邊緣場切 換)等。垂直對準模式包括多域且擁有減小的視角依賴性的MVA (多域垂直對準)、PVA (圖案垂直對準)、ASV (高級超V)等。另外，也 可以適當地使用膜補償TN模式液晶顯示面板。
與本發(fā)明的光源設備結合使用的透明/散射狀態(tài)切換元件不限于 具有PDLC層，并且可以適當地使用能夠在透明狀態(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絡液晶(PNLC)的元 件，或者使用動態(tài)散射(DS)的元件。在前述PDLC層中，所使用的透 明/散射狀態(tài)切換元件在沒有施加電壓時處于散射狀態(tài)，并且在施加電 壓時處于透明狀態(tài)。通過這種配置，可以提高散射狀態(tài)期間光源設備 的亮度，因為透明/散射狀態(tài)元件在處于入射光被散射的狀態(tài)時不消耗 功率，并且不然將會消耗掉的功率被分配給背光光源。還可以使用在 沒有施加電壓時處于透明狀態(tài)并且在施加電壓時處于散射狀態(tài)的 PDLC層。這種類型的PDLC層通過將光固化樹脂和液晶材料的混合物 曝光并且在施加電壓同時固化該混合物來獲得。通過這種配置，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信息終端設 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 的取向，并且具有存儲特性。通過使用這種類型的PDLC層，可以減少 功耗。
本實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平面中旋轉的布置。通過這 種配置，可以使百葉窗和顯示面板產生的波紋不那么顯著，并且可以 提高顯示質量。通過將透明區(qū)域和吸收區(qū)域交替排列的方向設置為與 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生的波 紋不那么顯著，并且可以提高顯示質量。
本發(fā)明的光源設備中所使用的錐體片中的錐體的末端可以被弄 圓到不會嚴重減小二維光聚焦效果的程度。其形狀不限于錐體，并且 可以以相同方式應用其他形狀，只要以重復方式排列精細的二維圖案， 并且該形狀具有二維光聚焦效果。
本實施例的顯示設備可以合適地安裝在移動電話或其他移動終 端設備中。兼容的移動終端設備不僅包括移動電話，還包括PDA、游戲設備、數碼相機、數碼攝像機以及各種其他類型的移動終端設備。 顯示設備不僅可以安裝在移動終端設備中，而且還可以安裝在視頻播 放器、筆記本型個人計算機、自動提款機、自動售貨機、以及其他各 種類型的終端設備中。
接著描述根據本發(fā)明第二實施例的光源設備、顯示設備、終端設 備及光學部件。圖16是示出了本實施例的顯示設備的截面圖；圖17 是示出了本實施例的光源設備的光源單元的立體圖；圖18是示出了本 實施例的光源設備中所使用的錐體片的截面圖；并且圖19是示出了本 實施例的百葉窗的立體圖。如圖17和18所示，本實施例的光源單元 11具有錐體片61，而不是前述第一實施例的光源單元l (見圖l)中 的錐體片6。在錐體片61中，錐體64的中軸從一Z方向朝向著+X方 向傾斜了 10度。
在本實施例的顯示設備21中還提供了百葉窗212，而不是前述第 一實施例中的百葉窗112 (見圖1)。如圖19所示，本實施例的百葉窗 212由兩層根據前述第一實施例的百葉窗112組合而成。在每個百葉 窗112中，以交替方式排列沿著一個方向延伸的帶狀透明區(qū)域112a 和吸收區(qū)域112b。構成百葉窗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 交的兩個排列方向都位于XY平面內，并且例如相對于+ X方向傾斜45
度。本實施例的其他方面與前述第一實施例相同。
接著將描述如此配置的本實施例的顯示設備21的操作，但是首 先描述光源單元11的操作。在本實施例中，在從光源51發(fā)射的光從 光波導3發(fā)射之前的操作與第一實施例相同。本實施例中錐體片61 的操作與第一實施例不同。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 變時對發(fā)射光進行仿真的結果，以便表示本實施例中所使用的、具有 傾斜錐體的錐體片61的光學操作；其中圖20A、 B、 C、 D、 E、 F和G 分別示出了當入射角度為偏離Z軸10度、20度、30度、40度、50 度、60度以及70度時的結果。在圖20中，帶有箭頭的兩條雙虛線指示入射光通量的外沿，并且沒有箭頭的實線指示發(fā)射光線。
根據圖20A至20G，顯而易見，當入射光的入射角度改變時，發(fā) 射光沿著不同方向行進，但是特別地，入射角度偏離Z軸60度和70 度的光線被偏轉到正向。
通過使用商用射線跟蹤仿真器以與第一實施例相同的方式來執(zhí) 行計算機仿真，以便對上述設計進行詳細研究。光學模型與第一實施 例中相同，除了錐體在+ X方向中傾斜了 IO度。圖21是示出了在光 源幵啟時從錐體片發(fā)射期間的光強度分布的極坐標圖，其中示出了 X 方向和Y方向。圖22是示出了圖21所示的光強度分布中X軸方向的 光強度分布的曲線圖，其中水平軸代表X軸方向中的視角，并且垂直 軸代表光強度。圖23是示出了圖21所^^的光強度分布中Y軸方向的 光強度分布的曲線圖，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，光強度分布都是聚焦在30度之內，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， 只要表現出相同效果。
接著描述本實施例的顯示設備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 二維中方向性迸一步增加的光。因為從光源單元11發(fā)射的光此時在二 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 光源設備的散射等出現的極少量光。具體地，使得由百葉窗112帶來 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施 例相同。
在如此配置的第二實施例中，百葉窗由兩層構成，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。結果，當透明/散射狀態(tài)切換元件122處于透明狀態(tài)時從顯示屏幕發(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。當透明/散射狀態(tài)切換元件122處于散射 狀態(tài)時，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，在本實施例的顯示設備中，可以相對于顯示屏幕在二 維中改變視角。因為此時從光源設備發(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最小，并且可以大大 提高寬角度顯示期間的亮度。
在本實施例中，當使用具有正交排列層的百葉窗時，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。這是因為當從光 源設備發(fā)射的光的方向偏離正向(+z方向)時，百葉窗吸收的光通 量數量增加，并且光利用效率降低。本實施例除了上述效果之外的其 他效果與前述第一實施例相同。
本實施例中使用的百葉窗具有兩個正交排列的層，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U2a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 過這種配置，可以由一層來增加二維中的方向性，這允許獲得比使用 兩個百葉窗層的情形中更薄的顯示設備。透明區(qū)域排列為矩陣的方向 可以設置為相對于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。
接著描述根據本發(fā)明第三實施例的光源設備、顯示設備、終端設 備及光學部件。圖26是示出了本實施例的顯示設備的截面圖；圖27 是示出了本實施例的光源設備的光源單元的立體圖。如圖27所示，在 本實施例的光源單元12中，當從光波導3觀察時，在一Z方向中如此 安裝了反射板8，使其面對光波導3的光漫射表面44。反射板8向著 '光波導3反射由于散射及其他原因從光波導3的光漫射表面44發(fā)射的光。本實施例的配置中除了上述之外的其他方面與前述第二實施例相 同。
使用商用射線跟蹤仿真器以與第一實施例相同的方式來執(zhí)行計 算機仿真，以便研究上述設計的有效性。光學模型與第一實施例中相
同，除了在光波導3的一Z方向中安裝了反射板8。圖28和29是分別 示出了在光源開啟時從光波導發(fā)射以及從錐體片發(fā)射期間的光強度分 布的極坐標圖，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度。圖31是示 出了圖29所示的錐體片發(fā)射期間光強度分布中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度。 如圖28所示，在從光波導發(fā)射期間，在偏離Z軸65度的方向中 出現光強度分布的峰值，并且相對于本發(fā)明的第一實施例方向性沒有 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，光強度分布都是聚焦在30度之內，并且與其中沒有提供反射 板的本發(fā)明第一實施例相比強度增加。具體地，可以更有效地利用來 自光源的光而不會危及方向性。通過這種配置，可以使由于百葉窗造 成的光損耗保持絕對最小，并且可以大大提高寬角度顯示期間的亮度。 當應用本發(fā)明第一實施例中所述的一維百葉窗時，也可以獲得相同的 亮度提高效果。本實施例除了上述效果之外的其他效果與前述第二實 施例相同。
接著描述根據本發(fā)明第四實施例的光源設備、顯示設備、終端設 備及光學部件。圖32是示出了本實施例的顯示設備的截面圖。如圖 32所示，在本實施例的顯示設備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。本實施例 的配置中除了上述之外的其他方面與前述第三實施例相同。
在如此配置的第四實施例中，不僅與第三實施例的顯示設備一樣 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備、顯示設備以及終端設備的厚度。還可以放置 錐體片和百葉窗彼此靠近放置時出現的干涉條紋。本實施例的其他效
31果與前述第三實施例相同。
接著描述根據本發(fā)明第五實施例的光源設備、顯示設備、終端設 備及光學部件。圖33是示出了本實施例的顯示設備的截面圖；并且圖
34是示出了本實施例的百葉窗的立體圖。如圖33所示，在本實施例 的顯示設備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的側面相對于Z軸方向以偏離Z 軸11度的傾斜角度傾斜。本實施例的配置中除了上述之外的其他方面 與前述第三實施例相同。
在如此配置的第五實施例中，因為錐體64的母線(中軸)與Z 軸方向平行，所以從光波導發(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)域的側面也是偏 離Z軸方向11度。因為百葉窗中透明區(qū)域和吸收區(qū)域之間的邊界實質 上與光從錐體片的發(fā)射方向對準，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 過這種配置，可以進一步減小由百葉窗帶來的光損耗，并且可以大大 提高寬角度顯示期間的亮度。本實施例的其他效果與前述第四實施例 相同。
本發(fā)明可以適于用作移動電話、PDA、游戲設備、數碼相機、攝 像機或其他移動終端設備的顯示設備，以及用作筆記本型個人計算機、 自動取款機、自動售貨機或其他終端設備的顯示設備。
權利要求
1. 一種光源設備，包括-光源；光引導部件，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；光學部件，用于沿著第二方向發(fā)射從所述光引導部件入射的光， 其中所述第二方向不同于所述第一方向；光方向調節(jié)元件，用于調節(jié)從所述光學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；其中所述光學部件在其光入射表面上具有二維排列的多個光學元件。
全文摘要
公開了一種光源設備、顯示設備、終端設備以及光學部件。在顯示設備中，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和錐體片，并且光源放置在光波導的側面。將光波導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，其相對于光出射表面向著光源側傾斜。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。通過這種配置，獲得了高方向性、高亮度并且對于光源安裝位置沒有限制的光源設備。
文檔編號F21V14/00GK101311617SQ20081013062
公開日2008年11月26日 申請日期2006年3月28日 優(yōu)先權日2005年3月28日
發(fā)明者上原伸一, 今井雅雄 申請人:日本電氣株式會社