专利名称：前照装置和反射式显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明装置和使用该照明装置的显示装置，更具体来说，涉及一种前照装置和一种反射式显示装置。
背景技术：
图1中，显示了传统的反射式液晶显示装置1的截面图。反射式液晶显示装置1主要由液晶显示屏3和前照装置2组成，前照装置2包括光源4和光导5。
根据该显示装置1，光由光源4发出，进入光导5的入光表面8，并在光导5中传播。在光导5的上侧，设有多个平坦部分6和多个图案7，图案7具有一第一表面7a和一第二表面7b。基本上，到达第一表面7a的光在其上被反射，以从发光表面9射向液晶显示屏3。从发光表面9射出的光被设置在液晶显示屏3内的反射镜13反射，从而再次通过光导5射到外面。这样，前照装置2照亮液晶显示屏3，观察者可以识别出液晶显示屏3形成的图像。
然而，如此使用前照装置2，到达第一表面7a的一部分光并不在其上被反射，而是透过第一表面7a。透过第一表面7a的光中的一些到达第二表面7b，而其余的则无用地直接射到外面。
这些无用的光降低了发光表面9的发光量与光源4的发光量的比率，这将导致反射式液晶显示装置1的亮度和对比度变差。
在这种情况下，为了提高亮度和对比度，要采用更多的光源，或者采用耗电更多的光源，这将增加制造成本、耗电量、或者最终装置的尺寸。
另一方面，因为难以形成直边界，所以形成在光导5的上表面的图案7的边沿就有点弯曲。这样，当透过第一表面7a的光到达边界部分时，光被无用地反射向观察者，这使得图像发白，降低了可视度。
发明内容
根据本发明的一个优选实施例，提供了一种前照装置，该前照装置包括一光导和一位于该光导一侧的光源。该光导包括入光表面，来自光源的光在此进入；发光表面，来自光源的光在此向外射出；以及，反光表面，与发光表面相对。反光表面具有形成在其上的多个图案，该多个图案中的每一个都包括第一表面，相对于发光表面向入光表面倾斜；第二表面，基本上垂直于发光表面，或者相对于发光表面倾斜得背离入光表面；以及，第三表面，相对于发光表面向入光表面倾斜。
根据本发明的一个优选实施例，提供了一种反射式显示装置，该反射式显示装置包括前照装置；和，显示器件，具有一用于反射从前照装置所发出的光的反射表面。前照装置包括一光导和一位于该光导的一侧的光源。该光导包括入光表面，来自光源的光在此进入；发光表面，来自光源的光在此射向外面；以及，反光表面，与发光表面相对。反光表面具有形成在其上的多个图案，该多个图案中的每一个都包括第一表面，相对于发光表面向入光表面倾斜；第二表面，基本上垂直于发光表面，或者相对于发光表面倾斜得背离入光表面；以及，第三表面，相对于发光表面向入光表面倾斜。
通过结合附图和所附权利要求阅读下面的说明，本发明的特征和优点将变得清楚。
图1是一种传统的反射式液晶显示装置的截面图。
图2是根据本发明一实施例的反射式液晶显示装置的截面图。
图3是根据本发明一实施例的前照装置的平面图。
图4是根据本发明一实施例的前照装置的透视图。
图5是图2中所示的图案的放大截面图。
图6是显示从发光表面发出的光量的实验结果。
图7是光导的部分截面图，用于解释角度ε和角度δ。
图8是显示从发光表面所发出的光量的另一个实验结果。
图9是显示损失光量的实验结果。
图10是显示损失光量的另一个实验结果。
图11A、11B、11C和11D是图案的放大截面图。
图12是根据本发明一实施例的反射式液晶显示装置的截面图。
图13是根据本发明一实施例的反射式液晶显示装置的截面图。
图14是根据本发明一实施例的前照装置的平面图。
图15是图14所示的前照装置的部分放大的平面图。
图16A和16B分别是移动电话和个人数字助理的透视图。
具体实施例方式
下面更详细地参照附图，对本发明的几个优选实施例进行说明，其中，在几个图中，用相同的标号来表示相同的部分。在实施例中所述的部件的尺寸、材料、结构和相对布置都只是典型性的或者是说明性的，而非限制性的。
在图2中，显示了根据本发明的一个实施例的反射式液晶显示装置101的简化截面图。显示装置101的原理结构类似于图1所示的传统显示装置的原理结构。
在光导105的上侧，设有多个平坦部分106和多个图案107，其中图案107具有第一表面107a，相对于发光表面109向入光表面108倾斜；第二表面107b，基本上垂直于发光表面109，或者相对于发光表面109倾斜得背离入光表面108；和第三表面107c，相对于发光表面109向入光表面108倾斜。光导105由诸如聚碳酸酯树脂和丙烯酸树脂的透明树脂制成，并且采用注模成型法、浇铸法、压纹法等来制造。
光源104典型地可以是如图3所示置于入光表面108的中央的点光源，或者是如图4所示置于光导105的一侧的线光源。参照图3，每个图案107都设在一同心圆上，该同心圆的圆心在光源104的发光区域的中心。优选的是，当图案107远离光源104时，将它们密集排列，以使光从发光表面109均匀发出。
图5显示了图2所示的图案107的放大截面图。每个图案107的截面形状典型地为三角形。把第一表面107a的倾斜角度确定得使到达第一表面107a的大部分光在此被全反射并透过发光表面109。第二表面107b从平坦部分106伸出以使透过第一表面107a的大部分光到达该第二表面107b。这意味着以相对于发光表面109的最大角度透过第一表面107a的光将到达第二表面107b。
假定平坦部分106和发光表面109相互平行，下面说明第二表面107b的高度。如图5所示，假定第一表面107a相对于发光表面109的倾斜角度是α，光到达第一表面107a的相对于发光表面109的角度为β，入射光的入射角为θ1，光导105的折射率为n，从平坦部分106与第一表面107a之间的边界到第二表面107b与第三表面107c之间的边界的水平距离为b，透过第一表面107a的光的出射角为θ2。
在这种情况下，入射角θ1满足下面的公式1θ1＝90°-α-β(1)出射角θ2满足下面的公式2sinθ2＝n·sinθ1(2)光透过第一表面107a的相对于发光表面109的角度满足下面的公式3。
τ＝90°-α-θ2(3)靠近平坦部分106的边界透过第一表面107a的光到达第二表面107b上的一处，该处离平坦部分106的高度h满足下面公式4h＝b·tanτ (4)因此，如果将第二表面107b的顶端的高度设为hs(hs高于h)，那么透过第一表面107a的光将到达第二表面107b并再次进入光导105。考虑到图案107的某些边沿在制造过程中变钝，高度hs最好充分地高于h。具体来说，如果高度hs由下面的公式5给出，则透过第一表面107a的所有光都将到达第二表面107b。
hs＝κ·b·tanτ(5)利用公式1到3，τ满足如下的公式6τ＝90°-α-arcsin[n·cos(α+β)](6)κ是一个由实验结果或计算机的模拟结果给出的系数。考虑到图案107的制造，优选地κ不要大于2。
更具体来说，假定角度α是50°，折射率n是1.53，水平距离b是4μm，角度β是40°，由公式6计算出τ为40°。因此，由公式5计算出高度hs为3.7μm，其中κ为1.1。
下面来说明第三表面107c。优选地将在第二表面107b处重新进入光导105的光用作用于液晶显示屏103的照射光。通过第一表面107a并进入第二表面107b的光接着应该被第三表面107c按与由第一表面107a全反射的光的反射角相同的反射角来全反射。
在图6中，提供了一实验结果，该实验结果显示了当把倾斜角α固定为50°、而改变倾斜角γ时从发光表面109所发出的光量。x轴表示倾斜角γ。y轴表示从同时具有第一表面107a和第三表面107c的光导所发出的光量L1与从仅具有第一表面107a的光导所发出的光量L2之间的比率。假定所对比的光导中的每一个都在相同位置处同等地形成第一表面107a。假定从发光表面109发出的光的出射角为ε，如图7所示，测量了其出射角ε在-90°到90°之间的所有出射光的光量。
从图6可知，当倾斜角γ为从10°到50°时，光量L1大于光量L2。更加优选的是，倾斜角γ为从20°到40°。当倾斜角γ为35°时，比值L1/L2最大。因此，具有其倾斜角γ为从10°到50°的第三表面107c的光导105将有利地减少光损失。在图8中，提供了另一实验结果，该实验结果显示了出射角ε从15°到35°的出射光的光量。从图8可知，当倾斜角γ在30°附近时，比值L1/L2最大。
在图9中，提供了一实验结果，该实验结果显示了当把倾斜角α固定为50°而改变倾斜角γ时的损失光量。x轴表示倾斜角γ。y轴表示同时具有第一表面107a和第三表面107c的光导的损失光量N1与仅具有第一表面107a的光导的损失光量N2之间的比率。假定如图7所示，损失光以入射角δ被观察者看到，对其入射角δ为从-10°到10°的损失光的光量进行测量。在图9中，还对在发光表面109上的表面反射量(菲涅耳损失)进行了测量。在图10中，去除了菲涅耳损失。参照图10，可知当倾斜角γ为从25°到40°时，几乎观测不到损失光，当倾斜角γ为20°时，损失光量大大减少。
因此，当倾斜角α为50°时，倾斜角γ优选地为从10°到50°，这将增加从发光表面109的发光量，并且减少由观察者观察到的损失光量。更加优选的是，倾斜角γ为从20°到40°。而且，可以预料的是，当倾斜角α为50°而倾斜角γ为30°时，光被第一表面107a全反射的方向与光被第三表面107c全反射的方向基本上相同，这简化了反射镜113的反射面的设计。
在本实施例中示范性地说明了几个实验结果，其中，倾斜角α为50°；不过，倾斜角α是可变的。图案的截面不必是三角形的，可以采用如图11所示的任何形状，可以预料这些形状是高效的。平坦部分106不必平行于发光表面109。平坦部分106可以如图12和13所示那样相对于发光表面109倾斜。
在图14中，显示了根据本发明另一实施例的前照装置202的平面图。参照图14，光源104设置在光导105的角部。下面说明图案107的排列。将图案107设置得使由图案107所反射的光在整个发光表面109上都基本上沿相同方向从发光表面109射出。具体来说，将图案107设在同心圆R上，该同心圆R的圆心在点光源104的位置处，并且一个图案107的第一表面107a的法线M与设置在同一圆R上的另一图案107的第一表面107a的法线M相交于点0。
图15显示了图14的部分放大的视图。参照图15，下面来具体说明图案107的排列。将角ξ定义为第一表面107a的法线M、与光源104(假定的起点)和第一表面107a的连线之间的夹角。将角φ定义为点O和光源104的连线、与光源104和第一表面107a的连线之间的夹角。假定被第一表面107a所反射的光射入发光表面109的入射角为ζ1，则ξ满足下面的公式7，以使一个图案107的第一表面107a的法线M与设置在同一圆R上的另一图案107的第一表面107a的法线M相交于点O。
ξ=arccos(1-cosφ·sinζ11+sin2ζ1-2·sinζ1·cosφ)---(7)]]>另外，更加优选的是，一个图案107的第三表面107c的法线M与设置在同一圆上的另一图案107的第三表面107c的法线M相交于一点，这样光被第一反射面107a全反射的方向与光被第三表面107c全反射的方向基本上相同。在这种情况下，一个图案107的第一表面107a的法线M基本上平行于设置在光源104和该图案107的同一连线上的另一图案107的第一表面107a的法线M。根据上述图案107的排列，可以预料，光将沿基本上相同的方向从发光表面109射出，这简化了反射镜113的反射表面的设计。
可以将根据本发明的前照装置或者使用该前照装置的反射式显示装置用于各种显示设备。图16A显示了具有反射式显示装置401的移动电话414的优选实施例。图16B显示了具有反射式显示装置501的个人数字助理515的优选实施例。
在本说明书中，单词“点光源”被定义为比“理想点光源”含义更广的光源。理想的情况下点光源从一点发光，但实际上该点将形成有限的发光区。如果在50％或者更多的发光表面内，光导的发光表面上的任一点与点光源的发光区域两端的两条连线之间所限定的夹角不大于10°，则把这样的光源称为点光源，其光被精确地加以控制。如果在50％或者更多的发光表面内，光导的发光表面上的任一点与点光源的发光区域两端的两条连线之间所限定的夹角不大于25°，则也可以把这样的光源称为点光源，其光被很好地加以控制。点光源可以具有彼此足够接近的多个发光点。
这样，本说明书在几个实施例中说明了本发明的前照装置，包括其制造和使用。然而，应该理解，可以对本发明的构造做出多种更改和变型。因此，应该理解的是，可以对本发明进行修改，而不脱离所附权利要求书所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种前照装置，其包括光导；和光源，位于光导的一侧，其中，该光导包括入光表面，来自光源的光在此进入；发光表面，来自光源的光在此向外射出；以及，反光表面，与发光表面相对，反光表面具有形成在其上的多个图案，该多个图案中的每一个都包括第一表面，相对于发光表面向入光表面倾斜；第二表面，基本上垂直于发光表面，或者相对于发光表面倾斜得背离入光表面；以及，第三表面，相对于发光表面向入光表面倾斜。
2.根据权利要求1所述的前照装置，其中，第二表面的顶端高于第一表面的顶端。
3.根据权利要求1所述的前照装置，其中，图案的较长侧基本上平行于光源。
4.根据权利要求3所述的前照装置，其中，反光表面基本上平行于发光表面。
5.根据权利要求3所述的前照装置，其中，光导的厚度在从发光表面到其相对表面的方向上逐渐变薄。
6.根据权利要求1所述的前照装置，其中，图案的较长侧基本上垂直于光源的光轴。
7.根据权利要求1所述的前照装置，其中，第二表面相对于发光表面的倾斜角在80°到90°之间。
8.根据权利要求7所述的前照装置，其中，第三表面相对于发光表面的倾斜角在10°到50°之间。
9.根据权利要求7所述的前照装置，其中，第三表面相对于发光表面的倾斜角在20°到40°之间。
10.根据权利要求1所述的前照装置，其中，把从发光表面到第二表面的顶端的距离确定得使以最小入射角进入第一表面的光将到达第二表面。
11.根据权利要求1所述的前照装置，其中，大部分光被第一表面反射后从发光表面射出的角度与进入第二表面后的大部分光被反射后从发光表面射出的角度基本上相同。
12.一种反射式显示装置，其包括根据权利要求1到10中的一项所述的前照装置；和显示器件，被置于前照装置的发光表面侧，包括一用于反射从前照装置所发出的光的反射表面。
全文摘要
提供了一种前照装置和一种使用该前照装置的反射式显示装置。前照装置的光导包括位于其上表面的多个图案，每个图案都包括第一表面，相对于发光表面向入光表面倾斜；第二表面，基本上垂直于发光表面，或者相对于发光表面倾斜得背离入光表面；以及，第三表面，相对于发光表面向入光表面倾斜。
文档编号F21Y101/02GK1573467SQ20041004245
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月21日 优先权日2003年5月23日
发明者清水彻, 松下元彦, 船本昭宏, 青山茂 申请人:欧姆龙株式会社