专利名称：前光源及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于为反射型液晶板或类似物照明的前光源，以及包括这种前光源的电子设备。
背景技术：
近来，由于下述原因，大量便携式设备将反射型LCD(液晶显示器)作为显示器。反射型LCD利用外部光来显示图像，因此不需要在显示器中是最耗电部件的背光。因此，通过利用反射型LCD，可长期使用由电池驱动的便携式设备。另一方面，反射型LCD具有在没有充足外部光时不能显示清晰影像的缺陷。在这种情况下，不能很好地识别所显示的图像。为了克服上述缺陷，开发出在没有充足外部光时能够为反射型液晶板照明的前光源。
图13A和13B示出了作为传统前光源示例的棱镜型前光源结构。该传统棱镜型前光源包括平面光导板1、光源2和反射器3，平面光导板1上形成有棱镜表面，光源2设在光导板1的侧面，反射器3将光源2发射的光有效地导向光导板1。可利用冷阴极管、发光二极管或类似物作光源2。
下面对传统棱镜型前光源的操作进行描述。当关闭光源2时(见图13A)，来自周围的外部光6从其上设有棱镜的光导板1的上表面1c射入，并从下表面1d射出。从反射型LCD5的像素电极反射后，光线6穿过光导板1进入用户的视线。
图13B示出了当光源2导通时前光源的操作。如图13B所示，从光源2发射的光线8经灯光反射器3反射，射入光导板1的侧面1a。射入光导板1的光线被反射并被光导板1的上表面1c和下表面1d多次折射，从而朝其相对的侧面1b传播。光线的上述传播遵从斯涅尔定律和菲涅耳定律。因此，当光线以小于临界角的角度射入空气和光导板1的上表面1c或下表面1d之间的分界面时，入射光从光导板1的下表面1d射入空气中。可根据菲涅耳定律计算在上述情况中可得到的透射率。然后从光导板1射出的光线射入反射型液晶板5以起到有效提供显示的照明光的作用。射入液晶板5上的光线通过其中的液晶进行调节，经像素电极反射再次射入光导板1的下表面1d。然后光线从上表面1c射出到达用户的视线。
在许多文章中对上述棱镜型前光源进行了描述，例如，在液晶显示会议’98材料技术主题，E-6(4)(Material Technology Text，E-6(4))上题目为“扩展彩色反射液晶应用范围的前光源技术”；在FPD智能月刊(Monthly FPD Intelligence)，(1998年2月)第22页上题目为“Sony提出其反射低温多晶硅TFT-LCD”的文章；在Nikkei电子设备(NikkeiElectronics)，No.717(1998年7月1日)41-46页上题为“出现在EDEX’98上的彩色反射型LCD面板-面向全尺寸普及型”；以及在1999SID技术论文文摘(Symposium Digest of Technical Papers)，912页上题为“用于基于密纹光导的反射型LCD的前光源”文章。
在棱镜型前光源中，下表面上设置的凸凹结构不能满足光导板下表面上的全反射条件。或者，可以将光导板与折射率与其不同的材料接触，以便在那使全反射条件无法满足。后一结构不能归类为前光源，但可用于墨点型背光。在用于墨点型背光的光导板下表面上，将白墨以点状印在光导板的下表面上。射在这些点上的光线在此散开。由于相对于光导板上表面的入射角小于临界角，因此允许如此散开的光线从光导线中射出。通过优化尺寸、节距、点的密度或其它参数，可以将从光导板上表面射出的光线的数量在光导板的整个上表面上设成是统一的。
然而，传统棱镜型前光源具有光利用率低的缺陷。由于前光源通常与反射型LCD结合，因此需要大功耗来操作的前光源对反射型LCD的最有利特性(即低功耗)会有不利的影响。
下面对产生光利用率低的原因进行描述。首先，射入棱镜表面的部分光线如图13B所示被折射，导致光线11从光导板1的上表面1c射出。光线11损耗从而不能为液晶板照明，由此导致光利用率的降低。为补偿照明的减少，不得不增加光源的功耗。而且，不将从上表面1c射出并朝用户传播的光线11提供给显示器。因此，用户对光线11的识别会导致对比度降低。
第二，进入光导板1的光线不能轻易通过下表面1b射出，因此，可能在光导板1中消失。这又导致光利用率的减少和低照度。更具体地说，以小入射角射入光导板1侧面1a的光线在上表面1c和下表面1d经历较少次数的反射和折射，以使光线可能满足全反射条件。当全反射条件得到满足时，光线继续在光导板1中传播，同时反复进行反射，最终在其中损耗。
第三个原因，从光源2射出的光线可能以大角度(即介于光线和垂直于光导板1下表面1d的角度可能大)从光导板1中朝LCD射出。这是因为仅仅以小于全反射临界角的角度射入光导板1下表面1d的光线能从下表面1d射出。
当光线在光导板1中传播时，下表面1d的入射角逐渐变小。当下表面1d的入射角变成略小于全反射临界角时，不满足全反射条件，光线从光导板1的下表面1d射入空气中。因此，在这种情况下的出射角接近90°。不允许这种光线以直角射入反射型液晶板5，由此导致光利用率的降低。
如图14A和14B所示的凸起型(projection type)前光源是用来克服上述棱镜型前光源的不利之处的。这种凸起型前光源包括光导板21，光源22以及反射器23。形成光导板的下表面21d以使其具有矩形截面的凸起。
如图14A中箭头所示，为未打开前光源时，外部光射入光导板21的上表面21c，穿过光导板21为反射型液晶板25照明。从反射型液晶板25反射的光线到达用户的视线。
当如图14B中箭头所示前光源打开时，从光源22射出的光线被反射器23反射，射入光导板21的侧面21a。入射光在光导板21中朝其相对的侧面21b的方向传播，同时在上表面21c和下表面21d之间被全反射。在光导板21中传播的光线中，射入上表面21c的部分光线可能满足全反射条件。因此，很少的光线会射过上表面21c。而且，在射入下表面21d的光线中，射入凸起部分下表面24a和凹进部分下表面24b的部分光线始终满足全反射条件。因此，不会有光线通过凸起部分下表面24a和凹进部分下表面24b从光导板21射出。
另一方面，射入凸起部分侧面24c的光线由于其入射角小于临界角可以通过。综上可知，在凸起型前光源中仅有少许光线能够穿过光导板21的上表面21c射出，因此与棱镜型前光源相比光线损耗变得更小。
而且，如图15所示，前光源在光导板31的下表面上具有凸起34，凸起34具有梯形横截面。图15中的前光源以与图14A和14B中前光源类似的方式操作，而且，通过在光导板31上设置具有倒锥形横截面的凸起使光线能穿过凸起部分的侧面24c。在图15中，用相同的参考符号表示与图14中相同的部分。
在ASIA DISPLAY’98第897页上题为“利用薄光导的前光源系统”的文章描述了上述凸起型前光源。该凸起型前光源的优势在于克服了上述棱镜型前光源的第一个缺陷。当从光源射出的光线穿过棱镜型前光源中的上表面(例如，通过上表面到达用户)时，仅有射入凸起侧面24c的光线能从凸起型前光源的光导板中射出，由此导致光损失的减少和抑制对比度的减小。
需要注意的是，如图14A和14B所示，射入凸起侧面24c的光线用来为反射型液晶板25照明。然而，关于反射型液晶板25的大入射角的缺陷仍未克服，该缺陷来自于凸起部分的侧面24c的大出射角。大入射角意味着光线以倾斜方向射入像素电极，导致光利用率的降低。而且，由于仅有射入凸起部分侧面21c的光线能从光导板21中射出，因此光线难于从光导板21中射出。因此，光线在传播过程中极有可能丢失，关于该点缺陷仍未得到克服。
发明内容
本发明的目的是克服上述凸起型前光源的缺陷，并提供一种光利用率高的前光源。本发明也想通过使用这种前光源允许从尽可能垂直的方向为反射型液晶板照明，并抑制光线在光导板中传播时的衰减，由此获得光利用率的改善。
为克服上述缺陷，本发明的前光源包括光源、光导板以及多个与光导板下表面接触的棱镜型透镜，其特征在于在与其中侧面垂直的平面上的每个棱镜型透镜的横截面具有等边梯形形状；由每个棱镜型透镜的等边梯形横截面的上底确定的平面与光导板下表面接触；等边梯形横截面的钝角Φ和棱镜型透镜的全反射临界角θ满足关系90°＜Φ≤90°+θ。
在上述结构中，每个棱镜型透镜是具有等边梯形下表面的n边棱镜型透镜。这些棱镜型透镜中的每一个均相当于设在传统凸起型前光源上的凸起，用作使在光导板中传播中的光线从那里向外射出的光学部件。
等边梯形的上底指的是在一对相对平行边中的较短的那个，而下底指的是在一对中较长的那个。每个棱镜型透镜在包括上底的侧面与光导板的下表面接触，其中没有插入任何诸如粘合剂层的其它材料。放置反射型液晶板、紧密接触型光传感器或类似物，以便面向由每个棱镜型透镜下底确定的侧面，并由前光源照明。
当关断光源时，外部光通过其上表面进入光导板，在穿过光导板和准直片后为反射型液晶板或紧密接触型光传感器照明。
当打开光源时，从光源发射的光线射入光导板的侧面，在光导板中传播，同时在光导板的上/下表面和空气间的分界面上被全反射。在传播过程中，射入光导板下表面和每个棱镜型透镜之间分界面的部分光线进入棱镜型透镜中。
最理想的是，每个棱镜型透镜的折射率尽可能设定与光导板的折射率相等。当每个棱镜型透镜的折射率不同于光导板的折射率时，允许光线在光导板和每个棱镜型透镜之间的分界面上反射或折射，由此导致用户易于识别出分界面。另一方面，由于折射率彼此相等，在射入光导板和每个棱镜型透镜之间分界面的光线中不产生反射成分，以使所有入射光可以进入棱镜型透镜。至少准直片的折射率设定为小于光导板的折射率。得到相同折射率的最容易的方法是用与光导板相同的材料制成棱镜型透镜。
进入的光线进一步射入空气和棱镜型透镜侧面之间的分界面，棱镜型透镜的该侧面包括等边梯形横截面的侧边。尽管图14A、14B和15中示出的传统前光源中的凸起相对于光导板下表面以锥形形成，但在本发明中的棱镜型透镜以倒锥形形成。而且，在每个棱镜型透镜的横截面中，等边梯形横截面的钝角Φout和棱镜型透镜的全反射临界角θc满足关系90°＜Φout≤90°+θc。因此，几乎所有射入侧面和空气之间分界面的光线可以被全反射，由此导致符合要求的光利用率。反射光线射入由等边梯形横截面下底确定的平面并从棱镜型透镜射出。
作为本发明的主要特征之一，进入每个棱镜型透镜的光线在从那里射出前被反射。在传统的凸起型前光源中，穿过侧面的光线用来照明液晶板，由此不可避免地导致液晶板上的大入射角。另一方面，根据本发明，允许光线在棱镜型透镜的侧面被反射，在从透镜中射出前沿不同方向传播。因此，可实现在液晶板上较小的入射角，由此导致光利用率的提高。
因此，在本发明中，相对于基本光导板的下表面以倒锥形方式放置每个棱镜型透镜横截面。更具体地说，重要的是，与光射出侧(即更靠近液晶板的位置)相比，横截面形状的跨度宽度朝更靠近光导板的那端逐渐变小。横截面的形状不限于梯形形状。例如，横截面可以具有轴对称图形的形状，即该轴对称图形由一对相对的平行直线和一对相对的曲线封闭而成，且相对于通过各相对的平行直线中点的直线轴对称。
通过用曲线代替等边梯形的侧边可得到上述形状。在这种横截面中，由一条曲线的任一点的法线和将曲线上该点连接到另一条曲线和较短边之间交点的直线之间确定的角度优选等于棱镜型透镜全反射的临界角。该角度至少设定在相对于临界角±3°范围内。通过上述设置，可以提高射入棱镜型透镜曲线侧面的光反射率。
临界角θc的变化取决于与光导板接触的材料的折射率。然而，在通常情况下，与光导板接触的这种材料是空气。因此，参照光导板和空气之间分界面上的全反射临界角θc可以确定等边梯形横截面的钝角Φout。
或者，用具有旋转体形状的旋转体透镜代替棱镜型透镜，旋转体透镜是通过沿对称轴旋转上述轴对称图形得到的。与光射出侧相比，旋转体透镜的放置是使得朝向更靠近光导板那端的跨度宽度逐渐变小。
如以上所阐明的，在本发明中都设有棱镜型透镜或旋转体透镜，以使得与射出侧相对(即更靠近液晶板的那端)的跨度宽度朝向更靠近光导板的那端逐渐变小。因此，很难将棱镜型透镜与光导板整体成形。因此，在本发明中，提供的平面光导板不需进一步加工，而且分别制备多个棱镜型透镜或旋转体透镜。然后这些透镜放置在平面光导板上以便与光导板相接触。
附图中
图1A至1D是根据本发明的实施例1的前光源结构示意图，其中图1A是前光源的横截面视图，图1B是准直片的透视图，图1C是每个棱镜型透镜的透视图，图1D是在垂直于侧面的平面上的棱镜型透镜的横截面视图；图2示出了根据本发明的棱镜型透镜的横截面视图；图3A至3C是根据本发明的棱镜型透镜的横截面视图，其中图3A示出了具有满足关系 的等边梯形横截面的钝角Фout的棱镜型透镜，图3B示出了具有满足关系中Фout≥90°+(90°-θc)的等边梯形横截面的钝角中Фout的棱镜型透镜，图3C示出了根据本发明的棱镜型透镜，特别是用来说明等边梯形横截面的钝角Фout和最终所得图像质量的关系；图4是当等边梯形横截面的钝角Фout接近直角时根据本发明的棱镜型透镜横截面视图；图5是根据本发明放大了的棱镜型透镜横截面视图，其中钝角Фout大图6示出了根据本发明的实施例2的前光源结构，更具体地说，图6A是前光源的横截面视图，图6B是准直片的透视图，图6C是每个棱镜型透镜的透视图，图6D是在垂直于侧面的平面上的棱镜型透镜的横截面视图图7A和7B是根据本发明的实施例2的棱镜型透镜的透视图；图8A和8B是根据本发明的实施例3的准直片的透视图，以及根据本发明的实施例3的每个旋转体透镜的透视图；图9是根据本发明的实施例4的前光源的横截面视图；图10A和10B分别是根据本发明的实施例5的前光源的横截面视图；图11A至11F分别示出了结合了本发明前光源的电子设备；图12A至12B分别示出了结合了本发明前光源的紧密接触型传感器图13A至13B分别示出了传统棱镜型前光源的横截面视图；图14A和14B分别示出了传统凸起型前光源的横截面视图；及图15示出了传统凸起型前光源的横截面视图。
具体实施例方式
下面参考附图描述本发明的实施例。
实施例1本实施例中的前光源利用在垂直于侧面的平面上具有等边梯形横截面的棱镜型透镜。
图1示出了本发明中前光源的结构。更具体地说，图1A是前光源的横截面视图，图1B是准直片的透视图，图1C是每个棱镜型透镜的透视图，图1D是在垂直于侧面的平面上的棱镜型透镜的横截面视图。
如图1A所示，光源102放置在光导板101的侧面101a上，在光源102后面还设有反射器103。而且，设有准直片104用来与光导板101的下表面101d接触。为便于说明，光导板101的上表面101c指朝向用户的表面，而下表面101d指在上表面101c对面的表面。
光导板101是由矩形透明材料制成的板，具有矩形平行六面体的形状，该平行六面体的四个侧面中每个侧面均为矩形，矩形的短边都大大地短于长边。用于光导板101的材料具有80％或更大的可见光透射率(全部光线透射率)，更可取为85％或更大，以及21/2或更大的折射率。因为折射率在这一范围内以90°入射角射入侧面101a的光线会折射至光导板101中。在本实施例中，选用折射率介于1.4至1.7范围内的材料。
作为满足上述条件的透明材料，可以使用无机玻璃(具有1.42至1.7的折射率和91％至80％的透射率)，例如石英、硼硅玻璃或类似物，或塑料材料(树脂材料)。作为塑料材料，可以使用甲基丙烯酸树脂(通常已知为丙烯酸的聚甲基丙烯酸甲脂具有1.49的折射率和92％至93％的透射率)，聚碳酸酯(具有1.59的折射率和88％至90％的透射率)，多芳基化合物(具有1.61的折射率和85％的透射率)，聚-4-甲基戊烯-1(具有1.46的折射率和90％的透射率)，AS树脂[acrylotrile苯乙烯聚合体](具有1.57的折射率和90％的透射率)，MS树脂[有机玻璃苯乙烯聚合体](具有1.56的折射率和90％的透射率)或将上述两种或多种树脂混合得到的材料。
可以使用冷阴极射线管或LED作为光源102。沿光导板101的侧面101a放置光源102。而且，通过在光导板101的相对侧面101b上提供另一个光源102和另一个反射器103，可提供两个与光导板101彼此相向的光源102。
准直片104包括基膜105和平行放置在基膜105上的多个棱镜型透镜106。如图1C和1D所示，这些棱镜型透镜是具有等边梯形横截面的n边形棱镜型透镜。为便于说明，包括等边梯形的上底106w的侧面指上表面106a，而另一个包括下底106x的侧面指下表面106b。其它侧面包括侧边106y和106z，分别指的是侧面106c和106d。
在准直片104中，每个棱镜型透镜被放置成使其下表面106b与基膜105相接触。而且，准直片104被放置成使其上表面106a与光导板101的下表面101d相接触。尽管不需要将基膜105和反射型液晶板紧密接触，但至关重要的是，每个棱镜型透镜106和光导板101彼此紧密接触，没有任何材料插入其间。
可以使用具有80％或更高可见光透射率的树脂薄膜作为基膜105的材料，例如，最好使用PET树脂或类似物。对于光导板101的材料，可以选用具有80％或更高最好85％或更高可见光透射率(全部光透射率)以及1.4至1.7范围内折射率的材料作为棱镜型透镜106的材料。例如，可将与用于上述光导板101的相同材料用于棱镜型透镜106。按照可加工性或成本，塑料材料更适合。此外，选择与光导板101材料具有相同折射率的棱镜型透镜106材料是为了防止光线在棱镜型透镜106和光导板101之间的分界面上被反射或折射。
在本实施例中，棱镜型透镜106和光导板101均使用具有1.49折射率的聚甲基丙烯酸甲脂丙烯酸脂(丙烯酸)。选用PET树脂作为基膜105的材料。
在下文中，参考图2对准直片105的功能和棱镜型透镜106的形状进行描述。
当光源102未打开时，允许外部光通过其上表面101c进入光导板101。进入的光线穿过光导板101和准直片104，在反射型LCD被反射，并再次穿过准直片104和光导板101到达用户的视线。
当光源2打开时，从光源102中射出的光线被反射器103反射，通过其侧面101a进入光导板101。进入的光线在光导板101中传播，同时在上表面101c和下表面101d上全反射。
当从空气中通过上表面101a进入光导板101的光线射入光导板101的下表面101d(在上表面101c)时，考虑到斯涅耳定律和光导板101的几何形状(即其横截面为矩形)，所定义的入射角θ1满足关系90°-θc≤θ1≤90°。θc表示光导板101相对于空气的全反射的临界角。以90°入射角射入光导板101的侧面101a的光线进一步以90°-θc入射角射入光导板101的上表面101c(或下表面101d)，同时以0°入射角射入光导板101的侧面101a的光线进一步以90°角射入上表面101c(或下表面101d)。因此，可以得到满足上述范围的入射角θ1。
当入射角θ1大于临界角θc时，光线121在空气和光导板101之间的分界面上被全反射。由于光导板101的折射率大于21/2(即大于sin-145°)，因此临界角θc变成小于45°。由于入射角θ1大于临界角θc，因此射入下表面101d(或上表面101c)和空气之间分界面的光线被全反射。这种情况下的反射角等于入射角θ1。因此，从光源102射出的光线在光导板101中传播，同时反复在与空气的分界面上进行全反射，从侧面101a传播至相对的侧面101b。
在本实施例中，光导板101用丙烯酸树脂(具有1.49的折射率)制造，因此，临界角θc大约为42°。因此射入光导板101的下表面101d或上表面101c的光线的入射角θ1需要满足关系48°＜θ1≤90°。
如图2所示，射入光导板101的下表面101d上与空气的分界面的光线121被全反射，同时允许射入与棱镜型透镜相接触表面的光线122进一步进入棱镜型透镜106。由于棱镜型透镜106的折射率等于光导板101的折射率，因此光线122的折射角等于入射角θ1。因此，允许光线122进入棱镜型透镜106，而不在分界面折射。
因此，进入棱镜型透镜106的光线123以入射角θ2射入其侧面106d并在那里反射，然后该反射光以入射角θ3射入下表面106b。需要注意的是，角θ2定义为射入侧面106d的光线法线之间的角度，而θ3定义为射入下表面106b光线和法线之间的角度。
由于在侧面106d上反射，因此入射角θ3小于棱镜型透镜相对于空气的全反射的临界角。因此，射入棱镜型透镜106的下表面106b的光线124可以射出到外面。因此通过棱镜型透镜106的下表面106d射出的光线为反射型液晶板照明。这个光线以某个入射角射入其上并在反射型LCD的像素电极上被反射。此后，光线穿过准直片104和光导板101到达观察者的视线。
在本实施例中，在棱镜型透镜106的侧面106d(106c)反射的光线被用来为液晶板照明，由此导致液晶板上入射角的减小。结果是垂直照明液晶板的光线成分变大，可以充分利用光线。
如上所述，为了高效地将侧面106d(106c)上反射的光线导向液晶板，更可取的是将棱镜型透镜106的侧面106c和106d上的反射率尽可能设定为高值。理想的情况是在侧面106c和106d上光线被全反射。在下文中对实现全反射的合适条件进行描述。
如上所述，在光导板101和棱镜型透镜106(棱镜型透镜106的上表面106a)之间分界面上的入射角(也是折射角)θ1介于范围90°-θc≤θ1≤90°内。另一方面，当相对于棱镜型透镜106侧面106c(106d)的光线的入射角θ2等于或大于相对于空气的棱镜型透镜106的全反射临界角时，允许光线在侧面106c(106d)全反射。由于棱镜型透镜106和光导板101是由相同材料制成的，因此棱镜型透镜106的全反射临界角等于光导板101的临界角θc。因此，为使光线被全反射，应该满足关系θc≤θ2≤90°。
考虑到几何学原理，角θ2与每个棱镜型透镜106的等边梯形横截面的钝角Фout满足于下列关系90°+θ2＝Фout+(90°-θ1)因此，可以得到θ2＝Фout-θ1如图3所示，假定等边梯形横截面的钝角Фout满足 即 在这种情况下，由于光线125在侧面106d(106c)上的入射角θ2＝α+θc，因此以入射角θ1＝90°-θc射入棱镜型透镜106上表面106a的光线125在侧面106d(106c)上全反射。另一方面，以入射角θ1＞90°-θc射入上表面106a的光线126在侧面106d(106c)上有反射角θ2＜θc。因此，产生由虚线所表示的穿过侧面106d(106c)的部分，导致光利用率的降低。
接着，假定等边梯形横截面的钝角Фout满足Фout＝90°+θc。当上表面106a上的入射角θ1满足关系θ1＝90°-θc时，侧面106c和106d上的入射角θ2满足θ2＝2θc，因此光线在棱镜型透镜106侧面106c和106d上全反射。θ1＝90°时，由于入射角θ2满足θ2＝θc，光线被全反射。换句话说，Фout＝90°+θc时，允许射入棱镜型透镜106侧面106c和106d的光线被全反射。
最后，如图3B所示，假定Фout≥90°+θc。由于Фout＝90°+(90°-θc)，具有入射角θ1＝90°-θc的光线127的光路平行于等边梯形横截面侧边，如点划线所示。因此，由于Фout≥90°+(90°-θc)，满足关系90°-θc≤θ1＜Φout的入射角θ1射入上表面106a的光线在侧面106c和106d上未被反射，但通过下表面106b射出。
从上面可以理解，为了允许光线在棱镜型透镜106的侧面106c和106d上反射，需要满足90°＜Φout＜90°+(90°-θc)，最好满足90°＜Φout≤90°+θc(其中θc＜45°)。在本实施例中，由于θc42°，因此满足关系90°＜Φout≤90°+48°，最好满足关系90°＜Φout≤90°+42°。
因为Φout越大，图像质量越恶化，因此最好用较小的等边梯形横截面的钝角Φout。如图3C所示，在反射型液晶板上反射的光线射入准直片104。为简化说明，在图3C中可忽略准直片104和基膜105之间的折射，棱镜型透镜106的下表面106b上的入射角设定为0°。在进入棱镜型透镜106的光线中，由于棱镜型透镜106和空气的折射率不同，穿过侧面106c和106d的光线128在侧面106c和106d上折射后进入光导板101。这会造成图像质量恶化。另一方面，由于棱镜型透镜106和光导板101之间折射率没有区别，因此允许穿过上表面106a的光线129不被折射就进入光导板101。由此导致图像质量不会恶化。从上面的描述中可以理解，较大的钝角Φout更可能会使图像质量恶化。
而且，考虑到棱镜型透镜106是由铸模制成的情况，可将等边梯形横截面的钝角Φout设定为93°或更大以便允许模制成的棱镜型透镜106易于从模子中取出。
下文通过改变满足等边梯形横截面的钝角Φout的条件来描述棱镜型透镜的合适尺寸。
图4示出了当等边梯形横截面的钝角Φout接近于直角时棱镜型透镜的横截面图。更具体地说，图4用来表示Φout＝95°的棱镜型透镜106的宽度W1和高度H1之间的关系。首先，为了允许入射光在棱镜型透镜的侧面上被反射，即使具有小入射角θ11的光线131也必须射入侧面。通过满足关系H1≥W1/tanθ11＝W1/1.11可将其实现。在这里，角θ11满足θ11＝48°。
然后，考虑以大入射角θ12进入的光线132的情况。在这种情况下，钝角Φout小于90°+θc。因此，具有大入射角θ12的光线132的某些部分穿过棱镜型透镜106。而且，当如此通过的光线进入相邻棱镜型透镜106时，光线可能在反复反射和折射后返回到光导板101。光线还可能从光导板101朝用户的方向射出去。为了避免这种情况，需要防止穿过侧面的光线133进入相邻棱镜型透镜106。
为了达到这个目的，需要满足关系T1≥H1×tan(Φout-θ13)，其中θ13表示侧面上的光线132的折射角并满足关系1×sinθ13＝1.49×sin(Φout-θ12)。然而，在θ12＝90°的情况下，折射角θ13变成接近0°，Φout接近90°。因此，根据上述不等关系式，间距T1变得太大。因此，在实际情况中，仅需要间距T1尽可能地大。
然后，参考图5的情况，下面描述钝角Φout大的情况。图5示出了放大了的棱镜型透镜106的横截面视图。由于角Φout大至Φout＝132°，几乎所有的射入棱镜型透镜侧面的光线均被反射。因此，不需要将相邻棱镜型透镜以某段距离分开布置。然而，也可以将相邻棱镜型透镜以某段距离分开布置。
接着描述棱镜型透镜106的高度H2。当高度H2降低时，一些光线不能射入棱镜型透镜106的侧面，而是直接到达将要在基膜上射入的下表面106b。但是，由于那里满足全反射条件，因此光线在基膜105和空气之间的分界面上被全反射。如果如此反射的光线返回到光导板101上，就会带来好处。但是，如果反射光进入棱镜型透镜106并沿不同方向在透镜106的侧面上反射和折射，则光线会通过其中的上表面朝观察者的方向射出去。为了避免这种不希望情况发生，需要即使以小入射角θ21射入棱镜型透镜106上的光线也必须射入棱镜型透镜106的侧面106c和106d。
为达到该目的，如图5所示，需要具有入射角θ21＝48°的光线134的路径与等边梯形横截面的对角线一致。当满足关系H2＝(W2+W3)×tan(90°-θ21)时可将其实现，其中W3＝W2/tan(180°-Φout)。用θ21＝48°和Φout＝132°代入，去掉W3使H2＝4.76×W2。因此，通过定义H2，可以得到W2的最优值。
而且，对于棱镜型透镜106，上表面106a的宽度W、高度H(上表面106a和下表面106b之间的距离)以及节距P(宽度和间距之和)均取决于诸如光导板101的厚度或尺寸(纵向尺寸乘以横向尺寸)等其它参数。而且，也必须要考虑棱镜型透镜106的生产裕量。更可取的是，宽度W和高度H均被设定为几十微米级，例如，介于10至50μm。在具有较小节距P时，在远离光源102点上的亮度值会减少。因此，节距P最好设定几百微米级，例如，介于100至500μm。
实施例2在本实施例中，将要描述实施例1中的一种棱镜型透镜的变化模式。在实施例1中，每个棱镜型透镜具有等边梯形横截面。然而，如图3A至3C所示，射入侧面106c和106d的光线可以依靠等边梯形横截面的钝角Φout进行传播，由此导致光利用率的降低。另一方面，在本发明中的透镜是用来克服具有等边梯形横截面的棱镜型透镜的缺陷的，并允许光线射入棱镜型透镜的上表面以终止其在侧面中的传播并被全反射。
图6示出了本发明实施例中的前光源的结构。更具体地说，图6A是前光源的横截面视图，图6B是准直片的透视图，图6C是每个棱镜型透镜的透视图，图6D是在垂直于侧面的平面上的棱镜型透镜的横截面视图。
除了实施例1中变化模式的棱镜型透镜外，本发明中的前光源具有与实施例1中相同的结构。如图6A所示，光源202放置在光导板201的侧面201a上，在光源202后面还设有反射器203。而且，设有准直片204用来与光导板201的下表面201d接触。为了便于说明，光导板201的上表面201c指朝向用户的表面，而下表面201d指与上表面201c相对的表面。刘光导板101是由矩形透明材料制成的板，具有矩形平行六面体的形状，该平行六面体的四个侧面中每个侧面均为矩形，矩形的短边都大大地短于长边。准直片204包括基膜205和平行放置在基膜205上的均匀间隔的多个棱镜型透镜。
如图6D所示，每个棱镜型透镜206具有由四个边封闭图形的形状，这四个边对应于通过用曲线来代替等边梯形的直线边可得到的图形。更具体地说，横截面是由一对相对的平行直线206w和206x以及一对相对的曲线206y和206z封闭而成的图形，该图形相对于对称轴206k是对称的，该对称图206k连接直线206w的中点和对面的直线206x的中点。为便于解释，在每个棱镜型透镜206的四个表面中，包括直线206w的侧面指上表面206a，而包括直线206x的另一个侧面指下表面206b。包括曲线206y和206z的其它侧面分别指侧面206c和206d。
在准直片204中，放置每个棱镜型透镜206以使其下表面206b与基膜205相接触。而且，放置准直片204以使其上表面206a与光导板201的下表面201d相接触。尽管不需要将基膜205和反射型液晶板紧密接触，但至关重要的是，每个棱镜型透镜206和光导板201彼此紧密接触，没有任何材料插入其间。
下文参考图7A和7B描述棱镜型透镜206的横截面形状。如图7A所示，指定棱镜型透镜206和光导板201之间接触部分的一个点为点A。更具体地说，在横截面中，指定直线206w和曲线206y彼此相交的交点(顶点)为点A。而且，在另一条曲线206z上任意选取的一点被指定为点B。绘制曲线206z以设定角Ψ0等于棱镜型透镜相对于空气的全反射的临界角θC，Ψ0由直线AB和点B上的法线EF确定。更具体地说，通过一组满足上述关系的点B来绘制曲线206z。通过将曲线206z移动至相对于连接各相对直线206x和206y的中点的直线的轴对称位置来绘制曲线206y。
通过提供具有如图7A所示横截面的棱镜型透镜206，通过其上表面206a进入透镜206的光线141相对于侧面206d(206c)的入射角θ41满足关系θ41＞Ψ0。这里，由关系Ψ0＝θC可以得到关系θ41＞Ψ0。这个不等式表示通过其中上表面206a进入每个透镜206的所有光线都射入侧面206d(206c)并从那里全反射。换言之，没有光线通过侧面206d(206c)，由此导致非常高的光利用率。而且，由于光线在侧面206d(206c)反射后才从棱镜型透镜206中射出，因此可以得到反射型液晶板上的小的入射角，由此导致光利用率的提高。
在本发明中的棱镜型透镜206的上表面206a的节矩P、高度H和宽度W均可以与实施例1中相同的方式进行设定。更具体地说，节矩P可以设定在100至500μm的范围内，高度H和宽度W都可以设定在10至50μm的范围内。而且，尽管图7A所示的角Ψ0理想上等于临界角θC，但考虑到裕量或类似情况，也可以接受将角Ψ0设定在θC±3°的范围内。例如，在光导板201和棱镜型透镜由丙烯酸树脂形成的情况下，由于临界角θC＝42°，角Ψ0足够满足关系39°≤Ψ0≤45°。
实施例3当棱镜型透镜用于实施例1和2中的准直片时，在本实施例中使用具有旋转体形状的透镜(指本说明书中的旋转体透镜)。除了实施例2中变化模式的准直片外，在本实施例中的前光源具有与实施例2相同的结构。图8A和8B示出了本实施例中准直片的结构。
如图8A所示，在由PET制成的基膜305上等间隔设有旋转体透镜306，以使每个旋转体透镜306的上表面306a与光导板(图8A未示出)的下表面紧密接触。当然，旋转体透镜306和光导板由相同材料制成。如图8B所示，每个旋转体透镜306具有通过绕对称轴206k旋转轴对称图形得到的形状，如图6D和图7A所示。通过提供具有如图8B所示横截面的每个透镜306，与实施例2类似，允许通过其上表面306a进入透镜306的光线在侧面306c上反射后通过下表面306b射出。
在实施例1和2中的准直片中，由于准直片的形状而不允许光线沿其纵向(与图1A和6A图纸垂直的方向)弯曲。另一方面，通过提供具有本实施例中的旋转体形状横截面的每个透镜306，也允许光线沿垂直于准直片纵向的方向弯曲。因此，通过最佳安排旋转体透镜306，可以在准直片上得到更均匀的面内亮度分布。
实施例4在本实施例中，将描述前光源中的光导板。在前面的实施例中的光导板为平板式，图9所示为其中包含楔形光导板的前光源的横截面视图。在本实施例中的前光源为在实施例2中的变化模式。在图9和6中用相同的参考符号表示相同的部分。
在光导板401中，每个相对侧面401a和401b具有矩形形状，而每个其它相对侧面具有梯形形状，在该梯形中不相对的两个角为直角。在楔形光导板401的情况中，即使当光导板401仅被空气包围时，也允许通过侧面401a进入其中的光线在光导板401中传播期间逐渐射出。这是因为在上表面401c和下表面401d上的光线在上表面401c和401d上重复反射，其入射角逐渐变小，于是不满足全反射条件。结果是，光线通过上表面401c射出，并通过不与棱镜型透镜接触的部分下表面401d。这会造成如此射出的光线可能朝用户传播的缺陷，以及相对于棱镜型透镜的入射角的变化取决于在光导板401上光线被反射多少次。尽管由于上述缺陷不希望使用楔形光导板401，但它会有效减轻光导板的重量。
实施例5在本实施例中的前光源是实施例2中的变化模式。图10A和10B所示为根据本实施例的前光源的横截面视图。在图10A、10B和6中用相同的参考符号表示相同的部分。
当多个棱镜型透镜206如实施例2中被等间隔放置时，面内亮度分布不均匀，使得靠近光源部分的亮度更亮一些，而远离光源的部分亮度更暗一些。为了得到均匀的面内亮度分布，如图10A所示，可以将棱镜型透镜206在远离光源202的部分排列得更密一些。根据以变化间隔排列透镜206的本实施例，图10B示出了其中包含了两个光源202的另一种前光源。特别地，图10B中的棱镜型透镜206在远离光源202的部分排列得更密一些。因此可以得到均匀的面内亮度分布。
尽管实施例4和5是作为实施例2的变化模式进行描述的，但实施例4和5中的教导当然适用于实施例1或3。
实施例6在本实施例中，描述的是准直片上的基膜。在前面的实施例中，基膜是由PET制成的，而且不需要与反射型液晶板接触。这是因为在前面实施例中使用的平面(即平板式)基膜没有显著的光学负作用。但，理想的是，棱镜型(或旋转体)透镜和基膜具有相同的折射率。这是因为当折射率不同时，一些光线在透镜和基膜之间的分界面被反射。
从上述观点看，不需要将棱镜型(或旋转体)透镜放置在基膜上。那么，可以将棱镜型(或旋转体)透镜直接放置在反射型液晶板中顶层元件上。例如，在反射型液晶板中顶层元件上可以设有光学膜，诸如偏振片或相差板，或触摸屏，可以在其上直接放置棱镜型透镜。
如上所述，根据本发明的前光源的特征在于为了将光线导向液晶板，使用棱镜型透镜或旋转体透镜以使进入这些透镜的光线在透镜的侧面反射。以不同方向传播的最终得到的反射光被用来照明液晶板。因此，可从相对于像素电极接近垂直的方向照明液晶板，并可有效利用照明光。结果是，在光源打开时可以改善面内亮度，以此导致功耗的降低。
而且，不需要用传统技术加工光导板。可使用平面光导板，并分别提供棱镜型(或旋转体)透镜。这会降低生产成本。更具体地说，在以传统技术在光导板上整体形成棱镜型透镜的情况下，如果生产的一个透镜不能满足规定设计要求，那么整个昂贵的光导板都不得不被扔掉。另一方面，根据本发明，即使生产的一个透镜不能满足规定设计要求，仅会扔掉不昂贵的棱镜型(或旋转体)透镜。
实施例7通过结合直视型反射型液晶板，在不同的电子设备的显示部分中可以使用本发明中的前光源。例如，可以应用在诸如计算机、数码相机、摄影机、便携式终端(移动计算机、移动电话、电子书等)、导航系统等应用电子设备中。图11A至11F示出了结合具有本发明前光源的反射型液晶板的电子设备。
图11A是个人计算机，包括包含微处理器、存储器、或类似物的主体部分2001；图像输入部分2002；使用具有前光源的反射型液晶板的显示器2003；以及键盘2004。
图11B是摄影机，包括主体部分2101；使用具有前光源的反射型液晶板的显示器2102；声音输入部分2103；操作开关2104；电池2105；以及图像接收部分2106。本发明可应用于显示器2102中。
图11C是便携式终端，包括主体部分2201；图像输入部分2202；图像接收部分2203；操作开关2204；使用具有前光源的反射型液晶板的显示器2205。
图11D是电子游戏机，例如电视游戏或视频游戏，包括包含诸如CPU、记录媒体2304等的电子电路2308的主体部分2301；控制器2305；显示器2303；具有前光源的反射型液晶板的显示器2302，其包含在主体部分2301中。包含在主体部分2301中的显示器2303和显示器2302可显示相同信息，或前者可用作主显示器，后者可用作显示记录媒体2304或机器运行状况信息的辅助显示器，或也可以通过增加接触式传感器功能将后者当作操作板。而且，可在主体部分2301、控制器2305和显示器2303之间使用有线通信，以相互传输信号，或通过提供传感元件2306和2307使其使用无线通信或光通信。
图11E是用于再现记录媒体的播放机，其记录程序、图像数据及声音数据(下文指的是记录媒体)，包括主体部分2401；具有前光源的反射型液晶板的显示器2402；记录媒体2404；以及操作开关2405。要注意的是通过使用DVD(数字化视频光盘)或激光唱光(CD)等，可以实现通过互联网再现音乐程序、图像显示、计算机游戏(或电视游戏)、显示信息或类似功能。
图11F是数字相机，包括主体部分2501；具有前光源的反射型液晶板的显示器2502；取景器部件2503；操作开关2504；图像接收部件(未示出)。
而且，除反射型液晶板的照明外，本发明的前光源也可用于其它电子设备的照明，例如，可将前光源作为如图12A和12B所示的附着型传感器的光源。
可使用实施例1至5的任一种前光源。在这个实施例中，使用的是实施例2的前光源200。在图12中，与图6相同的参考符号表示相同的材料。图12A是在前光源下布置传感器700的横截面。传感器700的光学系统不是还原型系统，而是等效系统。换言之，它是一种手稿(manuscript)和传感器之间的距离短的类型，指附着型传感器。该实施例的附着型传感器可以是一维排列(线传感器)或二维排列(面传感器)。
图12B所示是在读取时的附着型传感器和操作的构造。在附着型传感器700中，通过接收光线实现光电变换的光接收部分702，用于穿过光线的照明窗703等，均放置在前光源200下面的玻璃基底上。在线传感器的情况下存在没有照明窗的情况。诸如selfoc透镜的等效光电系统704和光纤阵列排列在光接收部分702的下面。要注意的是存在没有光电系统704的情况。在这种情况下将传感器称作完全附着型传感器。
手稿710在使用时布置在光电系统704下面。可以在手稿710和光电系统704之间放入玻璃或类似物。在通过照明窗703和光电系统704后，从前光源发射的光线进入手稿710。由手稿反射的光线通过光电系统704进入光接收部分702。直到这时，用户才能在使用本发明的前光源200时通过前光源观察手稿710。如上所述，由于使用它们，在观察指示部分的时候会非常方便。
权利要求
1.一种电子设备，包括一个液晶板；及一个用于照明液晶板的前光源，其中前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个棱镜型透镜，其中每个棱镜型透镜的横截面在垂直于其侧面的平面上具有等边梯形形状；由每个棱镜型透镜的等边梯形横截面的上底确定的平面与光导板的下表面相接触，其中所述上底是一对相对平行边中较短的那个；及等边梯形横截面的钝角Ф和光导板的全反射临界角θ满足关系90°＜Ф≤90°+θ。
2.根据权利要求1的电子设备，其中每个棱镜型透镜的折射率等于光导板的折射率。
3.根据权利要求1的电子设备，其中每个棱镜型透镜由与制造光导板相同的材料制成。
4.根据权利要求1的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
5.一种电子设备，包括一个光传感器；及一个用于照明由光传感器读取的对象的前光源，其中前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个棱镜型透镜，其中每个棱镜型透镜的横截面在垂直于其侧面的平面上具有等边梯形形状；由每个棱镜型透镜的等边梯形横截面的上底确定的平面与光导板的下表面相接触，其中所述上底是一对相对平行边中较短的那个；及等边梯形横截面的钝角Ф和光导板的全反射临界角θ满足关系90°＜Ф≤90°+θ。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜的折射率等于光导板的折射率。
7.根据权利要求5所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜由与制造光导板相同的材料制成。
8.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
9.一种电子设备，包括一个液晶板；及一个用于从其显示屏侧照明液晶板的前光源，其中前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个棱镜型透镜，其中每个棱镜型透镜的横截面在垂直于其侧面的平面上具有轴对称图形形状，所述轴对称图形是由一对相对的平行直线和一对相对的曲线封闭而成，且相对于连接各相对的平行直线中点的直线轴对称；每个棱镜型透镜与光导板相接触于一平面，所述平面包括一对相对的平行直线中较短的一条；及在轴对称图形中，在相对曲线之一的某一点上的法线和一直线所确定的角度介于每个棱镜型透镜全反射临界角±3°的范围内，所述直线连接相对的曲线中另一条和一对相对的平行直线中较短的一条之间的交点与所述某一点。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜的折射率等于光导板的折射率。
11.根据权利要求9所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜由与制造光导板相同的材料制成。
12.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
13.一种电子设备，包括一个光传感器；及一个用于照明由光传感器读取的对象的前光源，其中前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个棱镜型透镜，其中每个棱镜型透镜的横截面在垂直于其侧面的平面上具有轴对称图形形状，所述轴对称图形是由一对相对的平行直线和一对相对的曲线封闭而成，且相对于连接各相对平行直线中点的直线轴对称；每个棱镜型透镜与光导板相接触于一平面，所述平面包括一对相对的平行直线中较短的一条；及在轴对称图形中，在相对曲线之一的某一点上的法线和一直线所确定的角度介于每个棱镜型透镜全反射临界角±3°的范围内，所述直线连接相对曲线中另一条和一对相对的平行直线中较短的一条之间的交点与所述某一点。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜的折射率等于光导板的折射率。
15.根据权利要求13所述的电子设备，其中每个棱镜型透镜由与制造光导板相同的材料制成。
16.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
17.一种电子设备，包括一个液晶板；及一个用于从其显示屏侧照明液晶板的前光源，其中前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个旋转体透镜，其中每个旋转体透镜具有旋转体形状，所述旋转体形状是通过绕连接各相对的平行直线中点的直线旋转一轴对称图形得到的，所述轴对称图形是由一对相对的平行直线和一对相对的曲线封闭而成，且相对于连接各相对的平行直线中点的直线轴对称；每个旋转体透镜与光导板相接触于一平面，所述平面包括一对相对的平行直线中较短的一条；及在轴对称图形中，在相对曲线之一的某一点上的法线和一直线所确定的角度介于每个旋转体透镜全反射临界角±3°的范围内，所述直线连接相对曲线中另一条和一对相对的平行直线中较短的一条之间的交点与所述某一点。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中每个旋转体透镜的折射率等于光导板的折射率。
19.根据权利要求17所述的电子设备，其中每个旋转体透镜由与制造光导板相同的材料制成。
20.根据权利要求17所述的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
21.一种电子设备，包括一个光传感器；及一个用于照明由所述光传感器读取的对象的前光源，其中所述前光源包括一个光源，包括一个发光二极管；一个光导板；和每个都与光导板下表面接触的多个旋转体透镜，其中每个旋转体透镜具有旋转体形状，所述旋转体形状是通过绕连接相对的平行直线中点的直线旋转一轴对称图形得到的，所述轴对称图形是由一对相对的平行直线和一对相对的曲线封闭而成，且相对于连接个各相对的平行直线中点的所述直线轴对称；每个旋转体透镜与光导板相接触于一平面，所述平面包括一对相对的平行直线中较短的一条；及在轴对称图形中，在相对曲线之一的某一点上的法线和一直线所确定的角度介于每个旋转体透镜全反射临界角±3°的范围内，所述直线连接相对曲线中另一条和一对相对平行直线中较短的一条之间的交点与所述某一点。
22.根据权利要求21所述的电子设备，其中每个旋转体透镜的折射率等于光导板的折射率。
23.根据权利要求21所述的电子设备，其中每个旋转体透镜由与制造光导板相同的材料制成。
24.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述电子设备是从由个人计算机、数字相机、摄影机、便携式信息终端、移动计算机、移动电话、电子书、导航系统、电子游戏机和用于再现记录媒体的播放机组成的组中选出的。
全文摘要
一种前光源包括光源(102)，光导板(101)以及每个均与光导板(101)下表面相接触的多个棱镜型透镜(106)。在垂直于其侧面的平面上，棱镜型透镜的横截面具有等边梯形形状。等边梯形横截面的钝角Φ
文档编号G02B6/00GK1598667SQ20041008814
公开日2005年3月23日 申请日期2000年8月11日 优先权日1999年8月11日
发明者木村肇 申请人:株式会社半导体能源研究所