CN1120995C - 前方照明装置及装有该装置的反射型液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

一种设置在反射型LCD等的液晶元件的前面使用的前方照明装置，在光导体中，来自光源的入射光的入射面相对于形成向液晶元件的光的射出面的界面的法线呈倾斜状配置。

Description

前方照明装置及装有该装置的反射型液晶显示装置
技术领域
本发明涉及配置在被照明物与观察者之间使用的、在将光射向被照明物的同时能使观察者看请来自被照明物反射光的、其结构可使该反射光穿透的前方照明装置及其装有将该前方照明装置作为辅助光源的反射型液晶显示装置。
背景技术
与CRT(Cathode Ray Tube)、PDP(Plasma Display Panel)或EL(Electroluminescence)等其它显示器不同，液晶显示装置的液晶本身不发光，它是通过调节来自特定光源的光穿透量来显示文字和图象的。
以往的液晶显示装置[以下称LCD(Liguid Crystal Display)]大致可分为穿透型LCD和反射型LCD。穿透型LCD是在液晶元件的背面配置作光源(背照光)的荧光管和EL等面状发光的光源。
反射型LCD由于它是利用周围光进行显示的，因此不需要背照光，具有电力消耗少的优点。而且，在日光直射的非常明亮的场所，发光型显示器和穿透型LCD几乎看不清显示，而反射型LCD看起来却更加鲜明。由此，反射型LCD被应用于近年来需求日趋增长的携带式信息终端以及移动式计算机。
但是，反射型LCD存在着以下的问题。即，反射型LCD因利用周围光，故显示的亮度对周围环境的依赖性非常大，特别是在夜间等黑暗处往往会出现不能充分看清显示的情况。尤其在为实现彩色化采用了颜色滤光片的反射型LCD和偏振光板的反射型LCD中，上述问题十分明显，若在不能获得充分的周围光场合下使用时，就必需配置辅助照明。
然而，反射型LCD在液晶元件的背面设置有反射板，不能使用穿透型LCD那样的背照光。虽然也曾有人提出过采用半月形反射镜的称为半穿透型LCD装置的方案，但其显示特性既不象穿透型也不象反射型，而在两者之间，一般认为实用化是很难的。
为此，以往还有采用一种将配置在液晶元件前面用的前方照明装置作为环境黑暗时的反射型LCD辅助照明的提案。该前方照明装置通常备有光导体和配置在光导体侧面的光源。从光导体侧面入射的光源光进入光导体内部，再按光导体表面的形状反射，向液晶元件一侧射出。射出的光一边穿透液晶元件，一边根据显示信息进行调光，通过配置在液晶元件背面侧的反射板反射，再穿透光导体向观察者侧射出。这样，观察者即使在周围光的亮度不充分情况下也能看清显示。
这种前方照明装置例如在日本特许公开1993年158034号公报、SIDDIGEST P.375(1995)等中已有过介绍。
下面参照图26对SID DIGEST P.375(1995)中介绍的前方照明装置动作原理作一简单说明。在上述前方照明装置中，将具有由平坦部101a和倾斜部101b形成的界面101的光导体104一方的侧面作为从光源106入射光的入射面105。即，光源106被配置在与光导体104的入射面105相对的位置。
在从光源106通过入射面105向光导体104入射的光中，有的直线进入，有的入射到光导体104与其外围介质的界面101、108。此时，假设光导体104的外围介质为空气，光导体104的折射率约为1.5，则从斯涅耳定律(公式1)中可知，向界面101、108的入射角约为41.8°以上的光可由界面101、108全部反射。
n1·sinθ1＝n2·sinθ2
θc＝arc sin(n2/n1)……(公式1)
式中，n1：第1介质(在此为光导体104)的折射率
n2：第2介质(在此为空气)的折射率
θ1：从光导体104向界面101的入射角
θ2：从界面101向第2介质的入射角
θc：临界角
在入射到互界面101、108的光中，由反射面即倾斜部101b全反射的光和由界面108全反射后再由界面101的倾斜部101b反射的光入射液晶元件110。入射到液晶元件110的光通过未图示的液晶层调光后，由设置在液晶元件110背面的反射板111反射，再次入射光导体104，穿透平坦部101a向观察者109一侧射出。
另外，从光源106通过入射面105入射到平坦部101a而不是倾斜部101b的光在未到达倾斜部101b之前，反复在界面101与界面108之间进行全反射传播。从观察者109一侧看的倾斜部101b的面积与平坦部101a的面积相比是非常小的。
上述以往的前方照明装置存在以下问题。
(1)如图27所示，即使反复进行全反射也不能到达倾斜部101b的光和相对于入射面105大体垂直状入射的光就会成为从入射面105相对的面107向光导体104外部射出的光114，不能用于显示。也就是说，光的利用效率差。
(2)由倾斜部101b和平坦部101a构成的界面101的形状恰似将棱镜片顶点削平后的形状，如图27所示，会使周围光115很容易向观察者109一侧反射，造成显示性能降低。
以往绝大部分的前方照明装置中都存在这些问题，故希望提高光源光的利用效率。
发明内容
本发明目的在于提供具有光源和将来自光源的光引向被照明物的光导体的、配置在被照明物前方使用的可有效利用光源光的前方照明装置以及通过装有这种前方照明装置、即使在周围光不充分情况下也能鲜明显示的反射型液晶显示装置。
为达到上述目的，本发明的前方照明装置是在具有光源和光导体、配置在被物前方使用的前方照明装置中，其特征在于，所述第1光导体为多面体，包含从光源入射光的入射面、向被照明物射出光的第1射出面以及与所述第1射出面相对的第2射出面，所述第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状，或配置成离入射面越远则间隔越小，所述入射面相对第1射出面的法线呈倾斜状配置。
所述的前方照明装置配置在被照明物前方使用，将来自入射面的光源光从第1射出面射向被照明物，再将来自被照明物的反射光通过第1射出面，从第2射出面向观察者一侧射出。
若采用上述结构，由于入射面相对于第1射出面的法线倾斜配置，并且将第1和第2射出面相互呈大致平行状且配置成离入射面越远则间隔越小，因此与入射面对第1射出面垂直形成的结构相比较，可增大入射面的面积，而不用增加来自第1射出面的光导体最大高度。从而可提供能获取更多的光源光，且有效利用光源光的明亮的前方照明装置。
尤其是在第2射出面对第1射出面的倾斜角接近于0°时，即在第1射出面与第2射出面近似于平行时，上述结构具有如下的优点。也就是说，在上述场合时，一旦入射面相对于第1射出面呈垂直状配置，在垂直入射该入射光的光中，也会存在光从入射面相对的面漏到光导体外部的情况。若存在着这种漏光，则会降低光源光的利用效率。然而，在本发明的前方照明装置中，通过将入射面相对于第1射出面的法线呈倾斜状配置，由于从入射面垂直入射的光形成向第1射出面或第2射出面中的任选1个面入射的状态，因此具有可提高来自入射面的垂直入射光利用效率的优点。
在技术方案第1项记载的结构中，所述前方照明装置的所述入射面与第1射出面形成的角也可以为钝角。
在入射面与第1射出面呈锐角时，存在着从入射面直接向第1射出面入射的成分。考虑到该成分是以对于第1射出面非常大的入射角入射，再加上光源光扩展的因素，则在该成分中还应包含以接近90°的入射角向第1射出面入射的成分。这些成分由第1射出面反射，成为杂散光后从第2射出面向观察者一侧射出，因此会产生降低被照明物图象显示性能的问题。
为此，若采用如上所述本发明的入射面相对于第1射出面呈钝角的结构，就可以减少从入射面直接向第1射出面入射形成的杂散光成分。其结果，可提供可提高光源光的利用效率、并能获得鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
所述前方照明装置也可采用与光导体的入射面和第1射出面垂直平面中的断面形状呈三角形的结构。
通过将光导体形成上述完整的楔形结构，在从光源向光导体入射的光中，就不会使平行于第1射出面的成分漏出到光导体外部。从而具有进一步提高光源光利用效率的优点。
所述前方照明装置在将第1和第2射出面相互呈大致平行状配置的同时，假设入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射光导体后光的扩展角为±γ、第2射出面的临界角为θc2，则也可以采用满足下列不等式的结构。
θc2≤90°-β-γ
为符合上述不等式，通过设定β和γ值，可使入射第2射出面的光全部由该第2射出面反射，不会漏向观察者一侧。其结果可使光源光无浪费地向被照明物射出，提高光源光的利用效率，同时可防止无效的光漏向观察者一侧，从而可获得鲜明的被照明物图象。
所述前方照明装置在将第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小的同时，假设第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射光导体后光的扩展角为±γ、第2射出面的临界角为θc2，则也可以采用满足下述不等式的结构。
θc2≤90°-β-α-γ
为符合上述不等式，通过设定α、β、γ值，可使入射第2射出面的光全部由该第2射出面反射，不会漏向观察者一侧。其结果，可使光源光无浪费地向被照明物射出，提高光源光的利用效率，同时可防止无效的光漏向观察者一侧，从而可获得鲜明的被照明物图象。
所述前方照明装置也可以在光源入射面之间再设置限制来自光源光的扩展的光控制装置的结构。
来自光源的绝大部分光由第2射出面反射，但为了减少该第2射出面非全部反射的漏向光导体外部的成分，最好使来自光源的光具有某种程度的方向性，减少由于小于临界角的角度向第2射出面入射的成分。为此，通过设置限制来自光源光的扩展的光控制装置，上述结构可减少来自第2射出面的漏光，进一步提高光的利用效率，同时可防止被照明物图象的渗色和模糊。其结果，可提供实现明亮而又鲜艳的被照明物图象的前方照明装置。
在具有上述光控制装置的结构中，将第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状，同时再假设入射面与第1射出面法线形成的角为β、光导体的折射率为n1、有所述光控制装置限制的光扩展角为±δ，则也可以采用满足下列不等式的结构。
arc sin[(sinδ)/n1]＜β
上述不等式的左边为用光控制装置限制扩展的光入射光导体后的扩展角γ。在符合上述不等式时，从入射面入射的所有的光一旦被第2射出面反射，就会以一定的入射角向第1射出面入射。由此，可减少从入射面直接向第1射出面入射形成的杂散光成分。其结果，可提高光源光的利用效率，并可提供实现鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
在具有上述光控制装置的结构中，将第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小，同时再假设第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、入射面与第1射出面法线形成的角为β、光导体的折射率为n1、用所述光控制装置限制的光扩展角为±δ、第2射出面的临界角为θc2，则也可以采用满足下列不等式的结构。
arc sin[(sinδ)/n1]＜β+2α
上述不等式的左边为用光控制装置限制扩展的光入射光导体后的扩展角γ。在符合上述不等式时，从入射面入射的所有的光一旦被第2射出面反射，就会以一定的入射角向第1射出面入射。由此，可减少从入射面向直接向第1射出面入射形成的杂散光成分。其结果，可提高光源光的利用效率，并可提供实现鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
上述前方照明装置也可以再设置将来自光源的光只向光导体入射面聚光的聚光装置结构。
若采用上述结构，则于可进一步减少光源光的损失，因此可更加提高光源光的利用效率，实现更明亮的前方照明装置。
上述前方照明装置若将上述光导体作为第1光导体，则也可以采用在上述第1光导体的第1射出面外侧再设置第2光导体的结构，该第2光导体使来自所述第1射出面的射出光透过，并使光向比来自所述第1射出面的射出光更靠近第1射出面法线的方向射出。
若采用上述结构，通过设置第2光导体，可使来自前方照明装置的光的射出方向靠近第1射出面的法线方向。这样，由于向被照明物照射的光的反射光容易返回到第1射出面，因此可将光源光无浪费地用于照明，能提供实现更明亮的被照明物图象的前方照明装置。并且，由于所述第2光导体使来自前方照明装置的光的射出方向靠近第1射出面的法线方向，在反射形态上，还具有不使用前方照明装置时观察者进行显示确认的视角范围大体与使用前方照明装置时观察者的视角范围一致的优点。
在具有所述第2光导体的结构中，也可以采用第2光导体为散射光的光散射体结构。
若采用上述结构，则可使来前方照明装置的光的射出方向靠近第1射出面的法线方向，并且可由散射光无浪费地照亮被照明物。其结果，能提供可将光源光无浪费地用于照明的实现更明亮而又鲜艳的被照明物图象的前方照明装置。
并且，在具有作为所述第2光导体的光散射体结构中，也可以采用光散射体为前方散射体的结构。
若采用上述结构，由于作为第2光导体的光散射体即为使来自第1光导体入射的光只能向该光前进方向一侧散射的前方散射体，因此就不会产生从第1光导体入射的光向后方散射的现象。这样，可进一步提高光的利用效率，并防止因后方散射光对被照明物图象造成的不良影响。其结果，可提供实现明亮而又鲜艳的被照明图象的前方照明装置。
又，在具有作为所述第2光导体的光散射体结构中，也可以采用如下结构：光散射体即为只对来自一定角度范围入射的光进行散射的异向性散射体，使来自第1光导体的射出光向第2光导体入射的角度范围中的至少一部分包含在上述一定的角度范围内。
若采用上述结构，通过将来自第1光导体的射出光向作为第2光导体的光散射体散射的入射光的角度范围入射，由于在上述一定的角度范围以外例如向观察者方向输出光等的入射光中，上述的异向性散射体不起作用，因此可防止因不需要的散射光对被照明图象同造成的不良影响，还可有效地使来自第1光导体的射出光散射，进一步提高光的利用效率。其结果，可提供实现明亮而又鲜艳的被照明图象的前方照明装置。
又，在具有所述第2光导体为绕射元件的结构中，第2光导体也可以是绕射光的绕射元件。
而且，这种绕射元件最好是采用如下结构：只对来自一定角度范围入射的光绕射，来自第1光导体的射出光向绕射元件入射的角度范围的至少一部分被包含在上述一定的角度范围内。
若采用上述结构，通过将来自第1光导体的射出光向作为第2光导体的绕射元件绕射的入射光角度范围入射，对于上述一定角度范围以外例如向观察者方向输出的光等入射光来讲，由于上述的绕射元件不起作用，因此可防止因不需要的绕射光对被照明图象造成的不良影响，还可有效地利用来自第1光导体的射出光，进一步提高光的利用效率，其结果，可提供实现明亮而又鲜艳的被照明图象的前方照明装置。
又，在具有所述第2光导体为绕射元件的结构中，该绕射元件也可以采用全息照相元件的结构。
与异向性散射板等相比较，全息照相在特定角度范围内容易高精度控制射出光。这样，通过将全息照相用作第2光导体，即可在所需的角度范围内高精度控制来自第1光导体的光的射出方向，可提供方向性优良的前方照相装置。
又，在具有所述第2光导体的结构中，最好在第1光导体与第2光导体之间填满可缓和存在于这两种光导体之间的光学界面处折射率误差的充填剂。
若采用上述结构，与第1光导体和第2光导体之间存在空气层的场合相比较，可抑制存在于第1光导体与第2光导体之间的光学界面处因折射造成的光的衰减。其结果，可进一步提高光源光的利用效率，实现更明亮的作为面状光源的前方照明装置。此外，若使第1光导体和第2光导体至少一方的折射率与充填剂的折射率相同，则可减少第1光导体与第2光导体之间的光学界面数，故更加有效果。
并且，在具有所述充填剂的结构中，若在第1光导体中的第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状的同时，在第1光导体中，假设入射面和第1射出面的法线形成的角为β、入射第1光导体后的光扩展角为±γ、第1光导体中的第1射出面的临界角为θc1，则也可以采用满足下述不等式的结构。
θc2≤90°-β+γ
符合上述不等式时，可使导向第1射出面的光不被该第1射出面反射而输出。这样，可减少向第2射出面方向即观察者方向产生的杂散光。其结果，可提供实现鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
或者，在具有所述充填剂的结构中，若在将第1光导体的第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小的同时，在第1光导体中，假设第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、第1光导体中的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射第1光导体后光的扩展角为±γ、第1光导体中的第1射出面的临界角为θc1，则也可以采用满足下述不等式的结构。
θc1≤90°-β-2α+γ
符合上述不等式中，可使导向第1射出面的光不被该第1射出面反射而输出。这样，可减少向第2射出面方向即观察者方向产生的杂散光。其结果，可提供实现鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
为达到上述目的，本发明的反射型液晶显示装置的特点在于，在配置装有反射板的反射型液晶元件的同时，并在所述反射型液晶元件的前面设置所述本发明的前方照明装置。
上述结构在周围光量十分充足例如在白天的室外等场合可在前方照明装置熄灯的状态下使用，而且在不能获得充分的周围光量时也能在前方照明装置亮灯状态下使用。其结果，能提供与周围环境无关的可实现始终明亮的高性能显示的反射型液晶装置。
此时，在反射型液晶元件与前方照明装置之间，最好填满可缓和所述反射型液晶元件与前方照明装置之间存在的光学界面处折射率差异的充填剂。
若采用上述结构，与反射型液晶元件与前方照明装置之间存在空气层的场合相比较，可抑制存在于反射型液晶元件与前方照明装置之间的因光学界面处折射造成的光的衰减。其结果，可进一步提高光源光的利用效率，实现更明亮显示的反射型液晶显示装置。
并且，若将前方照明装置的光导体中的第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状的同时，假设前方照明装置的光导体中的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射所述光导体后的光扩展角为±γ、第1射出面的临界角为θc1，则最好满足下述不等式。
θc1＞90°-β+γ
符合上述不等式时，导向第1射出面的光向液晶元件输出，不会被该第1射出面反射。这样，可提高光源光的利用效率，并可减少向第2射出面方向即观察者方向产生的杂散光。其结果，可提供明亮且显示性能优良的反射型液晶显示装置。
或者在将前方照明装置的光导体中的第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小的同时，假设前方照明装置的光导体中的第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、所述光导体的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射所述光导体后光的扩展角为±γ、第1射出面的临界角为θc1，则也可以采用满足下述不等式的结构。
θc1＞90°-β-2α+γ
符合上述不等式时，导向第1射出面的光向液晶元件输出，不会被该第1射出面反射。这样，可提高光源光的利用效率，并可减少向第2射出面方向即观察者方向产生的杂散光。其结果，可提供明亮且显示性能优良的反射型液晶显示装置。
所述反射型液晶显示装置也可以再设置将来自光源的光只向光导体入射面聚光的聚光装置结构。
若采用上述结构，则可进一步减少光源光的损失，更加提高光源光的利用效率，能提供可更明亮显示的反射型液晶显示装置。并且，由于可防止光源光直接入射液晶元件的电极基板等其它的折射率体，因此可减少杂散光和向观察者方向散射的成分等。其结果，能提供可显示鲜明图象的反射型液晶显示装置。
本发明的其它目的、特征及其优点可通过下列说明了解清楚。以下参照附图进行具体说明。
附图说明
图1为表示本发明一实施形态的反射型LCD结构的剖面图。
图2(a)为表示具有上述反射型LCD的前方照明装置的光导体中的光运动说明图，图2(b)作为与光导体的比较例表示具有与第1射出面垂直的入射面结构中的光运动说明图。
图3为具有所述反射型LCD的前方照明装置的棱镜片聚光特性的图表。
图4为表示由所述棱镜片聚光的光入射光导体后的运动说明图。
图5为表示测定所述前方照明装置的照明光强度用的测定系统说明图。
图6为由图5所示的测定系统测定的照明光强度的图表。
图7(a)为表示来自发光型显示器的射出光与周围光关系的模式图，图7(b)为表示来自所述反射型LCD的射出光与周围光关系的模式图。
图8(a)和(b)分别表示为限制入射光扩展的可替代扩散板和棱镜片用的其它结构例的说明图。
图9为表示本发明另一实施形态的反射型LCD结构的剖面图。
图10(a)为表示具有图9的反射型LCD的光导体中的光运动说明图、图10(b)为表示作为比较例的光导体中的光运动说明图。
图11(a)为表示具有图9的反射型LCD的光导体中的光运动说明图、图11(b)为表示作为比较例的光导体中的光运动说明图。
图12为表示由棱镜片聚光的光入射光导体后的运动说明图。
图13为具有图9所示的反射型LCD的前方照明装置的照明光强度的图表。
图14为表示图9的反射型LCD变形例结构的剖面图。
图15为表示本发明又一个实施形态的反射型LCD结构剖面图。
图16为表示图15的反射型LCD中的光运动说明图。
图17为具有图15所示的反射型LCD的前方照明装置、将异向性散射板用作第2光导体的前方照明装置的照明光强度的图表。
图18为表示图15的反射型LCD中的从第1光导体向第2光导体入射光的范围说明图。
图19为表示一般性的全息照相形成方法的说明图。
图20(a)至(d)为表示图9的反射型LCD的用作第2光导体的全息照相制作工序主要部分的说明图。
图21为具有图15所示的反射型LCD的前方照明装置、将全息照相用作第2光导体的前方照明装置的照明光强度的图表。
图22为本发明又一个实施形态的适用于反射型LCD的棱镜片聚光特性的图表。
图23为表示具有所述反射型LCD的前方照明装置的照明光强度的图表。
图24为表示由设在所述反射型LCD中的反射镜只向光导体入射面聚光的光运动说明图。
图25为用于与图24比较的表示向光导体的入射面和液晶元件侧面双方入射的光运动说明图。
图26为以往带有辅助照明的反射型LCD概略结构并表示该反射型LCD中的光运动说明图。
图27为表示上述以往的反射型LCD中的光运动说明图。
具体实施方式
(实施形态1)
下面，参照图1至图8，对本发明的一实施形态进行说明。
如图1所示，本实施形态的反射型LCD在反射型液晶元件10的前面设置前方照明装置20。
前方照明装置20主要由光源26和光导体24构成。光源26为线状光源，例如荧光管等，沿光导体24侧面(入射面25)配置。光导体24与液晶元件10一侧的界面28(第1射出面)以及所述界面28相对的界面23(第2射出面)共同形成平坦面。而且，界面23和界面28呈相互平行状配置。
来自光源26的入射光的入射面25相对于界面28呈钝角状倾斜配置。在光源26与光导体24的入射面25之间，设置有作为光控制装置的棱镜片81和扩散板82，用于限制从光源26向入射面入射光的扩展角度。
光导体24由射出成形方式制成，例如可采用PMMA(polymethylmetacrylate)。更具体地讲，本实施形态的光导体24为厚度5mm、长度40mm、宽度40mm。入射面25对界面28的法线形成的角β为22°。即，入射面25与界面28形成的角度为112°。此外，最好在入射面25和界面23上进行光学研磨加工。
其次，对液晶元件10的结构及其制造方法作出说明。
如图1所示，液晶元件10基本上采用一对电极基板11a、11b夹持液晶层12的结构。电极基板11a在具有光透射性的玻璃基板14a上设有透明电极15a，并形成有液晶定向膜16a，以覆盖该透明电极15a。
所述玻璃基板14a例如可采用科宁公司生产的玻璃基板(商品名：7059)制成。透明电极15a例如可以ITO(Indium Tin Oxide)为材料。液晶定向膜16a例如可通过将日本合成橡胶公司生产的定向膜材料(商品名：AL-4552)用旋转式涂料器涂敷在形成透明电极15a的玻璃基板14a上，再进行作为定向处理的研磨处理而制成。
与所述电极基板11a一样，电极基板11b也通过将玻璃基板14b、透明电极15b以及液晶定向膜16b依次层叠后制成。另外，对电极基板11a、11b也可根据需要形成绝缘膜等。
电极基板11a、11b与液晶定向膜16a、16b呈相对配置，并与研磨处理的方向呈平行而又逆向(即为反向平行)状，再用粘接剂贴合。此时，在电极基板11a、11b之间，通过预先撒上粒径4.5μm的玻璃颗粒衬垫(未图示)，使其以均匀的间隔形成空隙。
在该空隙中，通过用真空除气方式导入液晶形成液晶层12。此外，作为液晶层12的材料来讲，例如可以采用梅尔克公司生产的液晶材料(商品名：ZLI-3926)。该液晶材料的Δn为0.2030。但液晶材料不限定于这一种，可以使用各种液晶。
接着，使用例如环氧系的粘接剂，将经过发线加工的铝板粘合在玻璃基板14b的外面用作反射板17，并且在玻璃基板14a的外面设置偏振光轴设定后的偏振光板18，将其与液晶层12的液晶定向方向呈45°。此外，在玻璃基板14a与偏振光板18之间，填满折射率匹配的充填剂(未图示)。
通过以上工序制成反射型的液晶元件10。再按照以下方法，通过将前方照明装置20与该液晶元件10组合，即可制成带有前方照明装置的反射型LCD。即，先将光导体24层叠在液晶元件10的偏振光板18上。然后在液晶元件10的偏振光板18与光导体24之间填满与这些物质折射率匹配的充填剂19。
充填剂19能缓和偏振光板18与光导体24之间存在的光学界面处的折射率误差，以解决因光的干涉和上述光学界面处的反射所造成的降低显示性能等问题。此外，作为充填剂19来讲，若具有与光导体24相同折射率，因能减少液晶元件10与光导体24之间的光学界面数，故效果更佳。充填剂19的材料例如可UV在硬化性树脂和水杨酸甲酯等。
其次，按照与光导体24的入射面25相对的方法依次配置棱镜片81和扩散板82，再设置例如荧光管作为光源26，用反射镜27将其围住。反射镜27作为聚光装置，使来自光源26的光只向入射面25聚光。反射镜27的材料可采用例如铝带等。
通过以上工序，即可制成具有辅助照明用的前方照明装置20的反射型LCD。该反射型LCD在周围光不充足时可以前方照明装置亮灯的照明方式使用，在可获得充分的周围光时，则以前方照明装置熄灯的反射方式使用。
在所述反射型LCD中，光导体24具有与玻璃基板14a大体相同的折射率，并且在光导体24与玻璃基板14a之间不存在空隙部(空气层)。这样，所述反射型LCD即使在采用前方照明装置20熄灯的反射方式时，光导体24也不会对显示产生不良影响。
下面，参照图2(a)和图2(b)，对前方照明装置20中的入射面25相对界面28的法线形成倾斜状所产生的效果作出说明。图2(a)为表示入射面25和界面28垂直剖面的光导体24结构的剖面图。图2(b)为同样表示与所述光导体24的作为比较例的光导体184结构的剖面图。该光导体184具有与光导体24相同的厚度，设置有相互平行的界面183和界面188以及与这此界面垂直的入射面185。
首先，从图2(a)和图2(b)作一比较可看出，本实施形态的光导体24由于将入射面25相对界面28的法线形成倾斜状，因此与具有相同厚度的光导体184的入射面185相比较，可使入射面25的面积增大。即，本实施形态的光导体24不用增加最大厚度也可增大入射面25的面积，故可吸收更多的光源光。从而提高光源光的利用效率。
并且，在采用图2(b)所示的结构时，从入射面185入射的光源光中的与入射面185垂直的成分如图2(b)所示，会从入射面185相对的面186漏出。也就是说，在图2(b)所示的结构中，光源光的损失非常之大。与此相反，如图2(a)所示，由于入射面25对界面28呈钝角，对入射面25垂直入射的成分相对于界面23形成以入射角θ2入射的光。因此，光导体24能使来自入射面25垂直入射的成分减少损失，从而提高光源光的利用效率。
以下对作为光控制装置的扩散板82和棱镜片81的作用进行说明。从光源26输出的光一旦被扩散板82扩散，就向棱镜片81入射。棱镜片81具有将来自扩散板82的扩散光的扩展限制在一定角度范围内的功能。在本实施形态中，棱镜片81的棱镜顶角为100°，如图3所示，可将扩散光的扩展限制在约±40°的角度范围内。聚集在约±40°角度范围内的光在入射光导体24时，通过由入射面25的折射而再次聚光，形成约±25.4°范围的扩展光。
其结果，如图4所示，假设入射面25对界面23的法线形成的角为β、从棱镜片81向入射面25入射后的光扩展角范围为γ，则向光导体24的界面23可获得的入射角θ2的范围可以下式表示。
90°-β-γ≤θ2≤90°-β+γ
另外，假设由扩散板82和棱镜片81限制的光源光的扩展范围为±δ、光导体24的折射率为n1，则形成下列公式：
r＝arc sin[(sinδ)/n1]
式中，若考虑构成光导体24的PMMA折射率约为1.5，则界面23的临界角θc2约为42°。也就是说，入射角θ2为42°以下的光成为来自界面23的漏光。然而，如上所述，在本实施形态中，因β＝22°、γ＝±25.4°，故向界面23的入射角θ2的入射光被收集在全反射的范围内。即，在本实施形态的光导体24中，不会产生从界面23来的漏光。
又，在光导体24中，向界面28的可获得入射角θ1的范围可以下式表示。
90°-β-γ≤θ1≤90°-β+γ
为使前方照明装置20具有良好的功能，在光导体24中，假设界面28的临界角为θc1、界面23的临界角为θc2，则最好符合下列两个条件：
(1)向界面23的入射光必须全反射、即θ2≥θc2
(2)向界面28的入射光不得反射、即θ1＜θc1
由此可推导出最好符合下列两个公式：
θc2≤90°-β-γ
θc1＞90°-β+γ
进而，
γ＝arc sin[(sinδ)/n1]＜β
在符合了上述公式后，从入射面25入射的所有的光一旦被界面23反射，就以一定的入射角向界面28入射。这样，可防止光源光从入射面25直接向液晶元件10入射。
下面，对前方照明装置20的照明光强度测定结果进行说明。为测定前方照明装置20的照明光强度，采用了图5所示的测定系统。即，将前方照明装置20的界面28的法线方向定为0°，采用检测器34测定了从0°至±90°范围内的光强度。另外，该项测定是在装满具有与光导体24相同折射率的协调剂的容器(例如油浴等)内进行的。
测定结果详见图6。从图6中可以看出，在前方照明装置20中，由于光导体24的作用，从光源26向光导体24入射的光大致向40°至90°方向发射，可以作为反射型液晶元件10的辅助光源来使用。
并且，与透射型LCD和CRT、PDP等自发光型的显示器相比较，本实施形态的反射型LCD具有可更加鲜明显示的优点。
即，如图7(a)所示，来自自发光型显示器35的光36a的前进方向相对于周围光37呈逆向状态。因此，观察者可以看到从光36a中将周围光37扣除掉的成分36b。
与此相反，在本实施形态的反射型LCD中，如图7(b)所示，采用照明方式时来自前方照明装置20的辅助光39a和周围光37被液晶元件10的反射板(未图示)反射，观察者可以看到相当于辅助光39a与周围光37之和的成分39a。这样，不仅在暗处，即使如白天室外那样的明亮场所也可实现更明亮的显示。
在本实施形态中，虽然使用了扩散板82和棱镜片81作为限制光源光扩展的光控制装置，但只要能获得同样的效果，就不局限于此，例如也可采用平行光管等。又，如图8(a)所示，用椭圆体反射镜98将光源26周围围住，在该椭圆体反射镜98的焦点处设置光源26，也能获得同样的效果。并且，按照SID DIGESTP.375(1995)中记载的方法，采用图8(b)所示的导光管99也可控制来自光源26的照射光的扩展。
(实施形态2)
下面参照图9至图14对本发明实施的另一形态进行说明。对前述实施形态1中说明过的结构以及具有相同功能的结构采用同一符号标记，说明从略。
如图9所示，本实施形态的反射型LCD的特点在于，在液晶元件10的前面设置包含有形成为离光源26越远则厚度越小的光导体44的前方照明装置40，以取代前述实施形态1中说明过的包含有均匀厚度的光导体24的前方照明装置20。
光导体44具有液晶元件10一侧的界面48、与该界面48相对的界面43、从光源26入射光且与界面48呈钝角状的入射面45。界面43和界面48配置成离入射面45越远则间隔越小。
上述光导体44例如可采用PMMA(polymethlmetacrylate)等通过射出成型制成。更具体地讲，光导体44最厚部分的厚度(从界面43的光源26一侧的端部至包括界面48在内的平面垂线长度)为6mm、最薄部分的厚度为1mm、长度为40mm、宽度为40mm。入射面45对界面48法线形成的角β为14°。界面43对界面48的倾斜角(界面43与平行于界面48的面形成的角)α为7.13°。此外，对入射面45和界面43最好进行光学研磨加工。
所述光导体44被层叠在液晶元件10的前面。与前述实施形态1一样，在液晶元件10的电极基板11a的玻璃基板14a与偏振板18之间填满有未图示的充填剂。此外，在偏振板18与光导体44之间填满有与偏振板18以及光导体44折射率匹配的充填剂19。
充填剂19能缓和偏振板18与光导体44之间存在的光学界面处的折射率误差，以解决因光的干涉和上述光学界面处的反射所造成的降低显示性能等问题。此外，作为充填剂19若具有与光导体44相同折射率，因能减少液晶元件10与光导体44之间的光学界面数，故效果更佳。
本实施形态的反射型LCD也可在周围光不充分时采用前方照明装置40亮灯的照明方式，在不能获得充分的周围光时，则可采用前方照明装置40熄灯的反射方式。
在所述反射型LCD中，光导体44具有与玻璃基板14a大体相同的折射率，并且在光导体44与玻璃基板14a之间不存在空隙部(空气层)。这样，即使在采用前方照明装置40熄灯的反射方式时，光导体44也不会对显示产生不良影响。
下面参照图10(a)和图10(b)对前方照明装置40中的入射面45相对界面48的法线形成倾斜状所产生的效果进行说明。
如图10(b)所示，假设具有与界面198垂直的入射面195的光导体194，此时向入射面195垂直入射光的界面193方向的入射角θ2为
θ2＝90°-α
进而，由界面193反射上述光时的界面198方向的入射角θ1为：
θ1＝θ2-α＝90°-2α
即，若要减小向液晶元件10的入射角θ(接近于垂直入射)，则如图10(b)中的双点划线所示，有必要增大界面193相对于光导体194中的界面198倾斜角α的数值。然而，增大α值也就是增加光导体厚度，效果不好。
对此，本实施形态的光导体44如图10(a)所示，通过将入射面45相对界面48的法线只倾斜β的角度，使向入射面45垂直入射光的向界面43的入射角θ2为：
θ2＝90°-α-β
由界面43反射上述光时的向界面48的入射角θ1为：
θ1＝90°-2α-β
从而，不用增大α值也可减小向液晶元件10的入射角θ1，使向液晶元件10的照射光接近于垂直入射。
并且，与前述实施形态1相同，通过将光导体44的入射面45对界面48的法线呈倾斜状，可增大入射面45的面积。即，由于光导体44不用增加最大厚度也能增大入射面45的面积，因此可获得更多的光源光。从而提高光源光的利用效率。
下面，对本实施形态的光导体44中的入射面45与界面48形成钝角状所产生的作用进行说明。
首先，为了便于比较，参照图11(b)对具有与界面208形成锐角的入射面205的光导体204中的光运动进行说明。此时，如图11(b)所示，存在着从入射面205向界面208直接入射的成分201a。若考虑到该成分201a以向界面208非常大的入射角入射，再加上光源光的扩展因素，则也包含有向界面208接近于90°入射角入射的成分。由于被界面208反射的成分201b成为杂散光，从界面203向观察者一侧射出，因此会降低显示的性能。
对此，在本实施形态的光导体44中，如图11(a)所示，因光源光的绝大多数成分先从入射面45向界面43入射，故可减小直接向界面48入射形成的杂散光成分。
在本实施形态中，光源26与入射面45之间也设置有扩散板82和顶角100°的棱镜片81。从光源26输出的光一旦被扩散板82扩散，即向棱镜片81入射。棱镜片81具有将来自扩散板82的扩散光扩展限制在一定角度范围内的功能。在本实施形态中，棱镜片81的棱镜顶角为100°，可将扩散光的扩展限制在约±40°的角度范围内。聚集在约±40°角度范围内的光在向光导体44入射时，由入射面45折射再通过聚光，成为约±25.4°范围的扩展光。
其结果，如图12所示，假设入射面45对界面48的法线形成的角为β、从棱镜片81向入射面45入射后的光的扩展角范围为±γ、界面43对界面48的倾斜角为α，则向界面43的入射角θ2可获得的范围可以下式表示。
90°-α-β-γ≤θ2≤90°-α-β+γ
再假设被扩散板82和棱镜片81所限制的光源光的扩展范围为±δ、光导体44的折射率为n1，则
r＝arc sin[(sinδ)/n1]
式中，若考虑构成光导体44的PMMA折射率约为1.5，则界面43的临界角θc2约为42°。也就是说，入射角θ2在42°以下的光成为来自界面43的漏光。然而，如上所述，在本实施形态中，因α＝7.13°、β＝14°、γ＝25.4°，故向界面23的入射角θ2的入射光全被收集在反射的范围内。即，在本实施形态的光导体44中，不会产生从界面43来的漏光。
又，在光导体44中，向界面48的可获得入射角θ1的范围可以下式表示。
90°-β-2α-γ≤θ1≤90°-β-2α+γ
为使前方照明装置40具有良好的功能，在光导体44中，假设界面48的临界角为θc1、界面43的临界角为θc2，则最好满足下列两个条件：
(1)向界面43的入射光必须全反射、即θ2≥θc2
(2)向界面48的入射光不得反射、即θ1＜θc1
由此可推导出最好满足下列两个公式：
θc2≤90°-β-α-γ
θc1＞90°-β-2α+γ
进而，r＝arc sin[(sinδ)/n1]＜β+2α
在满足下述公式后，从入射面45入射的所有的光一旦被界面43反射，就以一定的入射角向界面48入射。这样，可防止光源光从入射面45向液晶元件10直接入射。
下面，对来自前方照明装置40的界面48的照明光强度测定结果进行说明。在测定时采用了与实施形态1中同样的测定系统。测定结果详见图13。将图13与前述实施形态1中表示的图6作一比较，从中可以看出本实施形态的前方照明装置40与实施形态1的前方照明装置20相比提高30°至75°范围的光强度，可向液晶元件10照射更接近于垂直入射的光。
上面，已对光导体不是完整的楔型、而是垂直于光源26长度方向剖面的形状为四边形的结构举例作了说明。然而，如图14所示，也可采用具有完整楔型的光导体54结构来替代光导体44。这里所说的“完整的楔型”是指垂直于入射面55和界面58双方的剖面形状为三角形。在完整的楔型光导体54中，由于来自光源26的光中的平行于界面58的成分会向光导体54外部漏出，因此具有进一步提高光源光利用效率的优点。
(实施形态3)
下面，参照图15至图18对本发明实施的又一个形态进行说明。凡具有与前述各实施形态中说明过的结构相同功能的结构采用同一标号，其说明从略。
如图15所示，本实施形态的反射型LCD的特点在于，在完整的楔型即垂直于光源26长度方向的剖面形状为三角形的光导体54(第1光导体)与液晶元件10之间，为增加向液晶元件10垂直入射的成分设置了使来自光导体54的光散射的第2光导体51。即，本实施形态的反射型LCD的结构是在液晶元件10的前面设置由光源26、反射镜27、扩散板82、棱镜片81、光导体54以及第2光导体51组成的前方照明装置50。
第2光导体51不仅是图16所示的具有只向其前进方向一侧对来自光导体54入射光进行散射功能的前方散射板，而且还是图18所示的只能使一定角度范围(-5°至-60°)来的入射光散射、并可是来自上述角度范围以外的具有入射光完全透射性质的异向性散射板。作为满足这些条件的材料，例如住友化学株式会社生产的视角控制板(商品名：罗米斯坦)等，可以从市场上买到。
由于第2光导体51即为前方散射板，因此可在用液晶元件10调光之前消除后方散射的成分，即向观察者方向散射的成分，以提高显示性能。在图16中，对从第1光导体51和充填剂19的界面射出散射光的形态作了模式表示，但在实际上，第2光导体51是一使来自光导体54的射出光一边透射一边进行散射的。
从光导体54向第2光导体51的射出光中的向第2光导体51入射角度范围的至少一部分被包含在第2光导体51使光散射的范围内。由此，第2光导体51只使来自作为第1光导体的从光导体54引导的光散射，而对除此之外的光不起任何作用地让其透射。这样，在采用反射方式时，来自周围光和液晶元件10的反射光直接透过第2光导体51，故第2光导体51在的反射方式时不会对显示性能产生不良影响。
与前述实施形态1一样，在液晶元件10中，电极基板11a的玻璃基板14a与偏振板18之间填满未图示的充填剂。另外，在偏振板18与第2光导体51之间，填满有与偏振板18和第2光导体51折射率匹配的充填剂19。并且，在作为第1光导体的光导体54与第2光导体51之间也填满有未图示的充填剂。
这些充填剂能缓和光导体54与玻璃基板14a之间存在的光学界面处的折射率误差，以解决因光的干涉和上述光学界面处的反射所造成的降低显示性能等问题。此外，作为充填剂来讲，若采用具有与光导体54和玻璃基板14a相同折射率的产品，因能减少光学性界面数，故效果更佳。
在本实施形态中，光源26与入射面55之间也设置有扩散板82和顶角100°的棱镜片81。来自光源26输出的光一旦被扩散板82扩散，就向棱镜片81入射。棱镜片81具有将来自扩散板82的扩散光扩展限制在所定角度范围内的功能。在本实施形态中，棱镜片81的棱镜顶角为100°，可将扩散光的扩展限制在±40°的角度范围内。被聚集在约±40°角度范围内的光在向光导体54入射时，通过被入射面5折射后再次聚光，形成约±25.4°范围的扩展光。
在光导体54中，假设界面53对界面58的倾斜角为α、从棱镜片81向入射硕55入射后的光扩展角范围为±γ，则由界面53导向的光对界面58的入射角θ1可以下式表示。
90°-2α-β-γ＜θ1＜90°-2α-β+γ
式中，因α＝7.13°、β＝14°、γ＝25.4°，故可以看出所述入射角θ1的绝大多数光被包含在第2光导体51散射光的角度范围内。
下面，对来自第2光导体51底面(液晶元件10一侧的面)的照明光强度测定结果进行说明。在测定时，采用了与实施形态中相同的测定系统。测定结果详见图17。将图17分别与实施形态1中表示的图6以及实施形态2中表示的图13作一比较，从中可以看出本实施形态的前方照明装置50由于设置有第2光导体51，因此可将来自第1光导体即光导体54的射出光以更接近于垂直入射光的方式向液晶元件10照射。
又，本实施形态的反射型LCD如图18所示，从第2光导体51散射角度范围的-5°至-60°方向几乎无法观察，因而在通常使用的范围内，由第2光导体51散射的光不会对液晶元件10的显示产生影响。
上面使用的是完整楔型的光导体54，但并不局限于此，也可用实施形态1或2中分别说明过的光导体24或光导体44来代替光导体54。
(实施形态4)
下面，参照图19至图22对本发明实施的又一个形态进行说明。对前述各实施形态中说明过的结构和具有相同功能的结构采用同一标号，说明从略。
本实施形态的反射型LCD的特点在于，采用了使来自光导体54的光绕射的全息照相作为前述实施形态3中已说明过的反射型LCD中的第2光导体51，以取代将来自光导体54的光散射的异向性散射板。
根据光绕射原理，全息照相不仅具有对光反射、折射进行操作的效果，而且在1个全息照相中可具有多种光学特性。首先，参照图19对一般性的全息照相形成方法作一简单说明。
如图19所示，将来自光源127的光向涂敷在基体表面的感光性聚合物124照射。来自光源127的照射光127a被射束分裂器123分为两种光127c、127d。光127c被物体128散射后，作为物体光126向感光性聚合物124入射。光127d被反射镜129反射，作为参照光125以一定角度向感光性聚合物124入射。由于参照光125与物体光126相互干涉，在感光性聚合物124上以亚微细粒形态组成折射率高的和折射率低的层次，形成全息照相。这样，在写入结束后的全息照相上，一旦从参照光125入射方向将光射入，就可以物体光126的形态重新构成写入的图象。
对光源127来讲，例如可利用激光作为产生相干光的光源。通过调整来自光源127的光的波长和强度等诸条件，所述物体光126就可形成全息照相，以实现所需的输出光的方向和扩展角。
下面，参照图20(a)至图20(d)，对本实施形态中的作为第2光导体的带有全息照相功能的前方照射装置50构成方法进行说明。
首先如图20(a)所示，在作为基体的聚脂薄膜69的表面涂敷感光性聚合物64。该感光性聚合物64的材料例如可采用宝丽来(POLAROID)公司生产的光聚合物(商品名：DMP-128)。
其次，在聚脂薄膜69的涂有感光性聚合64的面的背面，按图20(b)的方式设置前述实施形态3中说明过的光导体54。再如图20(c)所示，与光导体54的入射面55相对状配置光源65，对入射面55照射参照光65a。与此同时，在离光导体54的界面58的法线方向倾斜10°的方向上配置光源66，对感光性聚合物64照射物体光66a。在该实施形态中，从感光性聚合物64的离法线方向倾斜10°的角度入射物体光66a，使参照光65a以与光导体54导向光相同的入射角，向作为第2光导体51的感光性聚合物64入射。
由于这些参照光65a和物体光66a的照射各自具有R.G.B成分。如图20(d)所示，分别与R.G.B成分相对应，形成红用全息照相64R、绿用全息照相64G和蓝用全息照相64B的层状结构。这些全息照相64R、64G、64B组成第2光导体51。
然后，按照与光导体54的入射面55相对状依次配置棱镜片81、扩散板82和作为光源26的荧光管(三波长管)，再用反射镜27将其复盖。
在本实施形态中，光源26与入射面55之间也设置扩散板82和顶角100°的棱镜片81。从光源26输出的光一旦被扩散板82扩散，即向棱镜片81入射。棱镜片81具有将来自扩散板82的扩散光的扩展限制在一定角度范围内的功能。在本实施形态中，棱镜片81的棱镜顶角为100°，可将扩散光的扩展限制在约±40°的角度范围内。聚集在±40°角度范围内的光在向光导体54入射时，通过被入射面55折射后再次聚光，形成约±25.4°范围的扩展光。
将通过以上工序制成的前方照射装置50设置在液晶元件10上，可实现不用依靠周围光的可稳定显示的反射型LCD。
下面，对本实施形态的前方照明装置50中的来自第2光导体51(全息照相)底面的照明光强度测定结果进行说明。在测定时，采用了与实施形态1相同的测定系统。测定结果详见图21。将图21分别与实施形态1中表示的图6以及实施形态2中表示的图13作一比较，从中可以看出本实施形态的前方照明装置50由于设置第2光导体51，因此可将来自第1光导体即光导体54的射出光(向第2光导体51的入射角约为70°)，以更接近于垂直入射光的形态向液晶元件10照射。
综上所述，本实施形态的反射型LCD采用具有全息照相的结构作为第2光导体51，以替代前述实施形态3中说明过的异向性散射板。全息照相具有比异向性散射板可将输出光更高精度地控制在一定输出范围的优点。
上面是采用感光性聚合物制成全息照相的结构，但若可获得同样效果，则不限定于此。另外，写入时的物体光的入射方向也并不局于上述方向。又，为了使上述的参照光65a的入射方向与由光导体54向第2光导体51引导光源光的方向一致，采用了将参照光65a从光导体54的入射面入射的结构，除此之外，若能取得同样效果，则也可以采用例如预先将图象写入结束后的全息照相板与光导体54粘合等方法。
又，上述使用的是完整楔形的光导体54，但也可以采用实施形态1或实施形态2中分别说明过的光导体24或光导体44。
(实施形态5)
下面，参照图15、图22至图25，对本发明的又一实施形态进行说明。对与前述各实施形态中说明过的结构和具有同样功能的结构采用同一标号，说明从略。
如图15所示，本实施形态的反射型LCD的结构是将包含有作为第1光导体的完整楔型的光导体54和第2光导体51的前方照明装置50层叠在液晶元件10的前面，并使充填剂19介于中间。即，本实施形态的反射型LCD基本结构与前述实施形态4的反射型LCD一样。
但，本实施形态的反射型LCD的光导体54最厚部分的厚度(从界面53的光源26一侧的端部向包括界面58在内的平面垂线的长度)为3mm、长度为90mm、宽度为110mm。界面53对界面58的倾斜角α为1.91°。又，入射面55对界面58法线的倾斜角β为26.6°。最好对界面53和入射面55实施光学研磨加工。
在本实施形态中，光源26与入射面55之间也设置有扩散板82和棱镜片81。但本实施形态的棱镜片81的顶角为70°。从光源26输出的光一旦被扩散板82扩散，即向棱镜81入射。棱镜片81具有将来自扩散板82的扩散光扩展限制在所定角度范围内的机能。
在本实施形态中，由于棱镜片81的棱镜顶角被形成为70°，如图22所示，可将扩散光的扩展限制在约±30°的角度范围内。聚集在约±30°角度范围的光在向光导体54入射时，通过被入射面55折射后再聚光，形成约±19.5°范围的扩展光。
其结果，假设入射面55相对界面58法线形成的角为β、从棱镜片81向入射面55入射后的光扩展角的范围为γ、界面53对界面58的倾斜角为α，则向界面53的光入射角θ2的可获得范围为
90°-α-β-γ≤θ2≤90°-α-β+γ
另外，假设由扩散板82和棱镜片81限制的光源光的扩展范围为±δ、光导体54的折射率为n1，
γ＝arc sin[(sinδ)/n1]
式中，若考虑构成光导体54的PMMA折射率约为1.5，则界面53的临界角θc2约为42°。也就是说，入射角θ2在42°以下的光成为来自界面53的漏光。然而，如上所述，在本实施形态中，因α＝1.91°、β＝26.6°、γ＝19.5°，故向界面53的入射角θ2的入射光被收集在全反射范围内。即，在本实施形态的光导体54中，不会产生从界面53来的漏光。
又，作为第2光导体51，采用的是与实施形态4中说明过的通过同样工序制成的全息照相。但考虑第1光导体即光导体54的设计条件，将上述全息照相设定在40°-80°范围内对入射光进行扩散。该全息照相由折射率1.51和折射率1.54层叠构成，第1光导体即光导体54与第2光导体51之间界面形成的界面58的临界角θc1约为80°。
为使前方照相装置50具有良好机能，在光导体54中，假设界面58的临界角为θc1、界面53的临界角为θc2，则最好满足下列两项条件：
(1)向界面53的入射光必须全反射、即θ2≥θc2
(2)向界面58的入射光不得反射、即θ1＜θc1也就是说，最好满足
θc2≤90°-β-α-γ
θc1＞90°-β-2α+γ
在本实施形态中，如上所述，由于界面53的临界角θc2约为42°、界面58的临界角θc1约为80°、α＝1.91°、β＝26.6°、γ＝19.5°，因此可以得出能满足上述所有条件的结论。
若将由上述条件制成的前方照明装置50设置在液晶元件10的前面，则可不依靠周围光，实现始终可明亮显示的反射型LCD。
下面，对本实施形态的前方照明装置50中的来自第2光导体51(全息照相)底面的照明光强度测定结果进行说明。在测定时采用与实施形态1中相同的测定系统。测定结果见图23。将图23分别与实施形态1中表示的图6、实施形态2中表示的图13以及实施形态3中表示的图17作一比较，从中可以看出若采用本实施形态的前方照明装置50，则可在按照不产生输出光方式设计的角度范围(-90°-0°)内基本上完全消除漏光°由此，可进一步提高显示性能，并可提高前方照明装置50作为辅助光源的特性。
如图24所示，本实施形态的前方照明装置50与前述各实施形态一样，具有将来自光源26的光只向入射面55聚光的作为聚光装置的反射镜27。该反射镜27通过将来自光源26的光无浪费地向入射面55聚集，可在提高光源光利用效率的同时，还可取得下列效果。
即，为便于作出比较，如图25所示，假设采用一种不仅在入射面55、而且在液晶元件10的侧面也通过使光入射的反射镜27将光源26的周围围住的结构。则在该结构中，如图25所示，来自液晶元件10的侧面入射的光在由液晶元件10的玻璃基板14a等折射率体形成的光学性界面上会产生不必要的折射和散射。其结果，成为杂散光后产生向观察者一侧的射出光。
对此，本实施形态的前方照明装置50通过反射镜27将来自光源26的光只向入射面55聚光，即可减少上述的杂散光。其结果，可在提高光源光利用效果的同时，实现显示性能优良的反射型LCD。
在图24和图25中，省略了前述扩散板82和棱镜片81的图示，但在具有扩散板82和棱镜片81的结构中，反射镜27也可获得与前述同样的效果。并且，在前述实施形态1的前方照明装置20和实施形态2的前方照明装置40中，反射镜27也会产生与前述同样的效果。
本发明并不局限于前述的各实施形态，在发明的范围内可作各种变更。例如，作为前方照明装置的光导体材料来讲，具体是以PMMA作示例的，但只要是可均匀而又无衰减地导光，并且折射率为适当值，则也可以采用如玻璃、聚碳酸酯、聚氯乙烯以及聚脂等材料。
另外，作为液晶元件来讲，可以采用单纯矩阵型LCD、活性矩阵型LCD等多种LCD。上述虽然使用了兼有偏振器和检偏器功能的一块偏振板的ECB方式(单偏振板方式)液晶元件，但也可以适用于其它的不用偏振板的PDLC和PC-GH等。
根据上述实施形态中的说明，本发明的前方照明装置的光导体是一种包含从光源将光入射的入射面、向被照明物射出光的第1射出面和与所述第1射出面相对的第2射出面在内的多面体，其特征在于，第1、第2射出面相互呈大致平行状，并配置成离入射面越远则间隔越小，入射面相对第1射出面的法线呈倾斜配置。
这样，与入射面相对于第1射出面呈垂直状的结构相比，不用增加光导体中从第1射出面的最大高度，即可增大入射面的面积。又，由于从入射面垂直入射的成分向第1射出面或第2射出面入射，因此在不影响照明的前提下可抑制光源光向光导体外部漏光。其结果，可提供有效利用光源光的明亮的前方照明装置。
又，所述前方照明装置最好将入射面与第1射出面形成的角呈钝角状态。
这样，就能减少对第1射出面以非常大的入射角入射并被第1射出面反射成为杂散光后从第2射出面向观察者一侧射出的成分。其结果，可提供光源光的利用效率，并提供可获得鲜明的被照明物图象的前方照明装置。
此外，所述前方照明装置在光源与入射面之间，也可以再设置限制来自光源光扩展的光控制装置结构。
这样，由于可使来自光源的光具有某种程度的定向性，从而减少来自第2射出面的漏光，在进一步提高光利用效率的同时，可防止被照明物图象的渗色和模糊。其结果，可提供实现明亮而鲜艳的被照明物图象的前方照明装置。
上述说明书中有关具体实施形态及其实施例的详细说明根本上是用于说明本发明技术内容，不应当仅仅限于这样的具体例子而作狭义的解释，在本发明的精神和后述的权利要求的范围内，可以在各种变更后实施。

Claims (24)

1.一种前方照明装置，具有光源和第1光导体，配置在被照明物的前方使用，其特征在于，所述第1光导体为多面体，包含从光源入射光的入射面、向被照明物射出光的第1射出面以及与所述第1射出面相对的第2射出面，所述第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状，或配置成离入射面越远则间隔越小，所述入射面相对第1射出面的法线呈倾斜状配置。
2.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，所述入射面与第1射出面形成的角为钝角。
3.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，第1光导体与入射面和第1射出面垂直平面的截面形状为三角形。
4.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，在将所述第1和第2射出面相互呈大致平行状配置的同时，假设入射面与第1射出面的法线形成的角为β、入射第1光导体后的光的扩展角为±γ、第2射出面的临界角为θc2，则应满足下列不等式：
θc2≤90°-β-γ
5.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，在将所述第1和第2射出面设置成离入射面越远则间隔越小的同时，假设第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、入射面与第1射出面的法线形成的角为β、入射第1光导体后的光的扩展角为±γ、第2射出面的临界角为θc2，则应满足下列不等式：
θc2≤90°-β-α-γ
6.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，在光源与入射面之间设置对来自光源的光扩展进行限制的控制装置。
7.如权利要求6所述的前方照明装置，其特征在于，在将所述第1和第2射出面相互呈大致平行状配置的同时，假设入射面与第1射出面的法线形成的角为β、第1光导体的折射率为n1、用所述光控制装置限制的光扩展角为±δ，则应满足下列不等式：
arc sin[(sinδ)/n1]＜β
8.如权利要求6所述的前方照明装置，其特征在于，在将所述第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小的同时，假设第2射出面对第1射出面的倾斜角为α、入射面与第1射出面的法线形成的角为β、第1光导体的折射率为n1、用所述光控制装置限制的光扩展角为±δ、第2射出面的临界角为θc2，则应满足下列不等式：
arc sin[(sinδ)/n1]＜β+2α
9.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，还设置有将来自光源的光只向第1光导体的入射面聚光的聚光装置。
10.如权利要求1所述的前方照明装置，其特征在于，在所述第1光导体的第1射出面的外侧，还设置有第2光导体，所述第2光导体使来自所述第1射出面的射出光透射，并使光向比来自所述第1射出面的射出光更接近第1射出面法线的方向射出。
11.如权利要求10所述的前方照明装置，其特征在于，所述第2光导体即为使光散射的光散射体。
12.如权利要求11所述的前方照明装置，其特征在于，所述光散射体为前方散射体。
13.如权利要求11所述的前方照明装置，其特征在于，所述光散射体为只对来自一定角度范围的入射光进行散射的异向性散射体，来自第1光导体的射出光向第2光导体的入射角度范围的至少一部分被包含在上述一定角度范围内。
14.如权利要求10所述的前方照明装置，其特征在于，所述第2光导体为使光绕射的绕射元件。
15.如权利要求14所述的前方照明装置，其特征在于，所述绕射元件只对来自一定角度范围的入射光进行绕射，来自第1光导体的射出光向绕射元件的入射角度范围的至少一部分被包含在所述一定角度范围内。
16.如权利要求1 4所述的前方照明装置，其特征在于，所述绕射元件为全息照相元件。
17.如权利要求10所述的前方照明装置，其特征在于，在第1光导体与第2光导体之间，填满有缓和这些光导体之间存在的光学界面处折射率误差的充填剂。
18.如权利要求17所述的前方照明装置，其特征在于，在将第1光导体中的第1和第2射出面相互呈大致平行状配置的同时，假设第1光导体的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射第1光导体后的光的扩展角度为±γ、第1光导体中的第1射出面的临界角为θc1，则应满足下列不等式：
θc1＞90°-β+γ
19.如权利要求17所述的前方照明装置，其特征在于，在将第1光导体中的第1和第2射出面配置为离入射面越远则间隔越小的同时，假设第1光导体中的第2射出面对于第1射出面的倾斜角为α、第1光导体中的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射第1光导体后的光的扩展角为±γ、第1光导体中的第1射出面的临界角为θc1，则应满足下列不等式：
θc1＞90°-β-2α+γ
20.一种反射型液晶显示装置，其特征在于，配置装有反射板的反射型液晶元件，并在所述反射型液晶元件的前面设置前方照明装置，所述前方照明装置具有光源和第1光导体，配置在被照明物的前方使用，所述第1光导体为多面体，包含从光源入射光的入射面、向被照明物射出光的第1射出面以及与所述第1射出面相对的第2射出面，所述第1和第2射出面配置成相互呈大致平行状，或配置成离入射面越远则间隔越小，所述入射面相对第1射出面的法线呈倾斜状配置。
21.如权利要求20所述的反射型液晶显示装置，其特征在于，在反射型液晶元件与前方照明装置之间，填满缓和所述反射型液晶元件与前方照明装置之间存在的光学界面处折射率差异的填充剂。
22.如权利要求21所述的反射型液晶显示装置，其特征在于，在将前方照明装置的第1光导体中的第1和第2射出面相互呈大致平行状配置的同时，假设前方照明装置的第1光导体中的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射所述第1光导体后的光扩展角为±γ、第1射出面的临界角为θc1，则应满足下列不等式：
θc1＞90°-β+γ
23.如权利要求21所述的反射型液晶显示装置，其特征在于，在将前方照明装置的第1光导体中的第1和第2射出面配置成离入射面越远则间隔越小的同时，假设前方照明装置的第1光导体中的第2射出面对于第1射出面的倾斜角为α、所述第1光导体的入射面与第1射出面法线形成的角为β、入射所述第1光导体后的光的扩展角为±γ、第1射出面的临界角为θc1，则应满足下列不等式：
θc1＞90°-β-2α+γ
24.如权利要求20所述的反射型液晶显示装置，其特征在于，还设置有将来自光源的光只向第1光导体的入射面聚集的聚光装置。
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