CN1133896C - 前置照明装置和含该装置的反射型液晶显示器 - Google Patents

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Abstract

一种安装在一反射型LCD等的前面的前置照明装置，它在四周光线不足时用作辅助照明，并设置有一楔形光导体，该光导体有一来自光源的光线通过其射入的光线入射表面；还设置有一各相异性光散射板，该散射板散射从光导体的一分介面射来的光线，使射向一液晶显示元件的光线以一接近于垂直于液晶显示元件的表面的角度投射。

Description

前置照明装置和含该装置的反射型液晶显示器
技术领域
本发明涉及一种安装在一被照明物体与观察者之间使用的前置照明装置，该装置设计得能发射光线射到被照明物体上并传送被照明物体反射的光，使观察者能看到此反射光；本发明还涉及一种包含有作为一辅助光源的这种前置照明装置的反射型液晶显示器。
背景技术
不象诸如CRT(阴极射线管)、PDP(等离子显示板)或EL(电致发光)等其它的显示器，在LCD(液晶显示器)中，液晶本身不发光，但通过调节从一特定光源射来的光线量可显示出文字或图像。
传统的液晶显示器大致可分为透射型LCD和反射型LCD。透射型LCD包括一荧光管或作为一EL的表面发光光源，后者设置在液晶显示元件背面上而用作一光源(背光)。
另一方面，由于反射型LCD是使用四周的光线作显示的，故它们不需要背光，因此功耗低。另外，在如太阳光直射到的十分明亮的区域中，发光显示器和透光型LCD的显示几乎不可能被看到，而反射型LCD的显示则可较清晰地被看到。为此，这些反射型LCD被应用于诸如近些年来的需求量日趋增长的便携式信息终端和移动式计算机的装置上。
然而，反射型LCD有其下面一些问题。也就是说，由于反射型LCD使用四周的光线，故其显示的亮度极大地取决于四周环境，而在黑暗处如在晚上，就会发生根本看不见显示的情形。对于使用一用于色彩显示的滤色镜或使用一偏振光板的反射型LCD，这个问题尤为严重，所以，当周围光线不够亮时，就需要采用辅助照明以克服该问题的影响。
但是，由于反射型LCD在液晶元件的背面设有一反射板，故它们不能象透光型LCD使用一背光。曾有人提出过一种称为“半透光型LCD”的装置，但是它的特点既不是透光型的，又不是反射型的，介于它俩之间，故也难以指望使用这种装置。
因此，又提出了一种安装在液晶元件的前面以在周围光线不够时用作反射型LCD的辅助照明的前置照明系统。通常，这样的前置照明系统由一光导体和一设在该光导体之侧面的光源组成。由光源从光导体之侧面射来的光线行经光导体的内部，并朝着在光导体的表面上设置的液晶元件反射。当光线通过该液晶元件时，射出的光线按照显示信息被调制，被设在液晶元件背面的反射板反射，又通过光导体而射向观察者。借助这种装置，即使四周光线不足时也能使观察者看到显示。
这种类型的前置照明系统已被揭示在如申请号为158034/1993(特开平5-158034)的未经审查的日本专利出版物和名为“SID DIGEST”的刊物(1995年)第375页。
下面将参阅图20简要说明揭示在期刊“SID DIGEST(1995年)”第375页上的前置照明系统的工作原理。这个前置照明系统设有一光导体104，该光导体有一由平坦部分101a和倾斜部分101b组成的分界面101，光导体104的一侧是一光线入射表面105，来自一光源106的光线经过该表面而进入光导体104。换言之，光源106设置在一与光导体104的光线入射表面105相对的位置上。
来自光源106而从光线入射表面105进入光导体104的一些光线笔直前进，其中一些光线射在介于光导体104与周围介质的分界面101和108上。此时，如在光导体104四周的介质是空气且光导体104的折射率为约1.5的话，则按照斯涅耳折射定律(Snell Law)(公式1)，在分界面101和108上的入射角为约41.8°或更大些的光线将被全反射。
n1·Sinθ1＝n2·Sinθ2
θc＝arc Sin(n2/n1)                 (公式1)
式中：
n1是第一介质(在此为光导体104)的折射率；
n2是第二介质(在此为空气)的折射率；
θ1是从光导体104在分界面101上的入射角；
θ2是从分界面101射出进入第二介质的光线的角度；以及
θc是临界角。
在射到分界面101和108上的光线中，从倾斜部分101b(系反射面)全反射的光线，和从分界面108反射后又从倾斜部分101b上反射的光线，均入射到一液晶元件110中。射入液晶元件110的光线在被一液晶层(未图示)调制后，从一设在该液晶元件110的背面上的反射板111上反射后，又入射到光导体104中，并通过朝着观察者的平坦部分101a。
从光源106入射通过光线入射表面105、并不射在倾斜部分101b上而是射在平坦部分101a上的光线，继续透射并在分界面101与108之间反射，直到光线射到倾斜部分101b上。顺便说，与平坦部分101a的面积相比，观察者看起来，倾斜部分101b的面积是足够小的。
上述前置照明系统有如下问题：
(1)如图21所示，即使在多次反射后还是未射到一倾斜部分101b的光线，以及基本上垂直射入光线入射表面105的光线，从一与光线入射表面105相对的表面107射出光导体104而成为光线114，这些光线114是不能用于显示的。板愈小，这个问题愈明显，对于通常用于便携式信息终端(5英寸至6英寸，数字化的)的板，来自光源的大部分光线射出光导体，因此，光的使用率很低。
(2)由诸倾斜部分101b和诸平坦部分101a组成的分界面101的形状类似于顶部为平坦的棱镜片的形状。这样，如图21所示，四周的光线115很容易被朝向观察者向后反射，这样就会损伤显示质量。
由于多数传统的前置照明系统共具这些问题，就需要改善来自光源的光线的使用率。
发明内容
本发明目的在于，提供一种前置照明装置，该装置包括一光源和一将来自光源的光线导向一被照明物体用的光导体。该光导体可安装在被照明物体的前面，并能有效地使用来自光源的光线；本发明目的还在于，提供一种包含有这种前置照明装置的反射型液晶显示器，它能在即使四周光线不足时也明亮地显示。
为了达到上述目的，按照本发明的前置照明装置包括：一光源和一将来自该光源的光线导向一被照明的物体的光导体，该前置照明装置可用来被安装在被照明物体的前面。其中：光导体包括有一第一光导体和一第二光导体，其中的第一光导体设有一第一光线入射表面，来自光源的光线通过该表面而射入，第二光导体设有一光线射出表面，光线经过该表面射出而射向被照明物体；第一光导体将光线从光线入射表面导向第二光导体；以及，第二光导体是散射光线的光线散射体或光线衍射体，使得从光线射出表面射出的光线的方向比从第一光导体射出的光线的方向更靠近于光线出射表面的法线方向。
在上述第一前置照明装置中，来自光源的光线从该第一光导体的光线入射表面射入，并从该第二光导体的光线射出表面射向被照明物体，该装置被用来安装在被照明物体的前面。换言之，射向被照明物体的光线从其上被反射，又通过该前置照明装置，到达位于前照明装置的、与被照明物体相反的一侧的观察者，以使观察者能看到被照明物体的像。
在上述的结构中，当从第一光导体被引导的光线通过第二光导体时，沿着光线射出表面的法线方向的这部分光线增多了，如此，从光线射出表面射出的光线的方向更靠近于该光线射出表面的法线方向。这样，就增大了反射光线占射在被照明物体上的光线的百分比，这部分反射光线返回到光线射出表面。如此，到达位于前置照明装置的、相对于被照明物体的相反一侧的观察者的光线量也增多了。其结果，提高了来自光源的光线的使用率，能提供一明亮的前置照明装置。另外，由于第二光导体将由前置照明装置射出的光线的出射方向更靠近于光线射出表面的法线方向，使该装置具有这样的优点，即当观察者以反射方式(当前置照明装置未被照明时)观察显示器时的观察角基本上与当前置照明装置被照亮时的相等。
如光散射体是一向前散射体，则是可取的。在这种情况下，由于光散射体(第二光导体)是一向前散射体，它只沿光线行进方向散射从第一光导体射来的光线，故不将来自第一光导体的光线向后散射。其结果，进一步提高了光线的使用率，且能防止由于向后散射造成对被照物体的像的损害。
另一种情况是，如光导体是一各向异性散射体，该散射体只散射以一在一预定范围内的角度投射的光线，并且，如果从第一光导体射入第二光导体的光线的至少一部分是以在这个预定范围内的诸角度投射的，则是可取的。
利用上述结构，该各向异性散射体不会影响到如以一超出预定范围的角度投射的、朝观察者行进的光线，因此，能防止由于不必要的散射而造成对显示质量的损害。另外，从第一光导体射来的光线以一在预定范围内的角度进入，在该预定范围内该光散射体(第二光导体)能散射光线，则从第一光导体射来的光线能被有效地散射，进一步提高了光线的使用率。
另外，如果这个衍射元件只衍射以一在一预定范围内的角度投射的光线，并且，如从第一光导体射入该衍射元件的光线的至少一部分以在这个预定范围内的诸角度投射，则是可取的。
利用上述结构，该衍射元件不会影响到如以一超出预定范围的角度投射的、朝观察者行进的光线，因此，能防止由于不必要的衍射而造成对显示质量的损害。另外，从第一光导体射来的光线以一在预定范围内的角度进入，在该预定范围内该衍射元件(第二光导体)能衍射光线，则从第一光导体射来的光线能被有效地衍射，进一步提高了光线的使用率。
在上述前置照明装置中，可在光源与光线入射表面之间设置一用于限制来自光源的光线的传播的光线控制装置。
来自光源的光线被第一光导体所导向，使之被射入第二光导体。为了减少来自第一光导体的光线在与四周介质的分界面上外漏，可取的是，通过使来自光源的光线具有一定量的方向性，而减少以一小于临界角的角度投在该分界面上的那部分光线量。为此原因，由于上述结构提供了一种用于限制来自光源的光线的传播的光线控制装置，就减少了漏出光导体外的光线量，如此就改善了光线的使用率，并防止了被照物体的像的渗漏(bleeding)和模糊。其结果，能提供一种可有一明亮、清晰照明的物体像的前置照明装置。
上述前置照明装置还可构作得能在第一光导体与第二光导体之间的一间隙中充填一种填充剂，以减少在两光导体之间的诸光学分界面的折射率的差异。
与两光导体之间的间隙中充填了空气的这种结构相比，上述结构能减少由于在第一和第二光导体之间的诸光学分界面上的反射造成的光线的衰减。其结果，能进一步改善来自光源的光线的使用率，并能建立一较亮的前置照明装置。如填充剂的折射率等于至少一个光导体的折射率，这样的结构可更有效，这是因为在第一和第二光导体之间的光学分界面的数量减少了。
上述前置照明装置还可构作得能提供一种聚光装置，以将来自光源的光线只集聚到第一光导体的光线入射表面上。
利用这种结构，由于进一步减少了来自光源的光线的损失，能进一步改善来自光源的光线的使用率，并获得一种较明亮的前置照明装置。此外，由于能减少从不希望的方向射入第二光导体等的光线的量，能防止形成漫射光，就能提供一种能获得清晰的被照明物体像的前置照明装置。
在上述前置照明装置中，第一光导体是一多面体，该多面体具有一来自光源的光线从其射入的光线入射表面、一光线通过其射向被照明物体的第一光线出射表面和一与第一光线出射表面相对的第二光线出射表面。该第一和第二光线出射表面设置得能使两者之间的距离随着从光线入射表面的距离的增大而逐渐缩小。
在上述结构中，第一和第二光线射出表面构作得能使离光线入射表面的距离愈大则这两射出表面之间的距离变得愈小，即，使第二光线出射表面相对于第一光线射出表面倾斜。如此，使来自光线入射表面的、平行于第一光线出射表面行进的光线的至少一部分，从第二光线出射表面反射而传播到第一光线出射表面，光线从该第一光线出射表面射向被照明物体。换言之，那部分平行于第一光线出射表面行进的光线也能用作照明光线，如此，使来自光源的光线的使用率高于第一和第二光线出射表面为相互平行的结构。其结果，能提供一种明亮的前置照明装置。
上述前置照明装置还可构作得能满足下述的不等式，即α≤90°-θc，式中：α是第二光线出射表面相对于第一光线出射表面的倾角；θc是第二光线出射表面的临界角。
利用这种结构，来自光线入射表面平行于第一光线出射表面地行进的那部分光线，在第二光线出射表面上全部被反射。利用这样的手段，能避免从第二光线出射表面向观察者的光线外漏掉。其结果，能提供一种可建立一明亮、清晰的被照物体像的前置照明装置。
上述前置照明装置还可构作得能使第二光线出射表面相对于第一光线出射表面的倾角为40°或更小些。
上述前置照明装置还可构作得能在光源与光线入射表面之间设置一光线控制装置，用以限制来自光源的光线的扩散。
大部分来自光线入射表面的光线被第二光线出射表面所反射，但是，为了减少从光导体经过该第二光线出射表面的光线的外漏，最好是通过为来自光源的光线给出一定量的定向性而减少以一小于临界角的角度投射在第二光线出射表面上的那部分光线。为此，通过提供前面所述的、带有一种用来限制来自光源的光线的扩散的光线控制装置的结构，能减少通过第二光线出射表面时外漏的光线量，如此可进一步改进光的使用率，且防止被照物体像的渗漏和模糊。
上述前置照明装置还可构作得能提供一种聚光装置，以将来自光源的光线只集聚到第一光导体的光线入射表面上。
利用这种结构，由于进一步减少了来自光源的光线的损失，能进一步改善来自光源的光线的使用率，并获得一种较明亮的前置照明装置。此外，由于能减少从不希望的方向射入第二光导体等的光线的量，能防止形成漫射光，就能提供一种能获得清晰的被照明物体像的前置照明装置。
为了达到上述目的，按照本发明的一反射型液晶显示装置包括一具有一反射板的反射型液晶显示元件。该反射型液晶显示装置设置有安装在反射型液晶元件的前面的前置照明装置。该前置照明装置包括一光源和一将来自光源的光线导向一被照明的物体的光导体，前置照明装置可用来被安装在被照明物体的前面，其中：光导体包括有一第一光导体和一第二光导体，其中的第一光导体设有一第一光线入射表面，来自光源的光线通过该表面而射入，第二光导体设有一光线射出表面，光线经过该表面射出而射向被照明物体；第一光导体将光线从光线入射表面导向第二光导体；以及，第二光导体是散射光线的光线散射体或光线衍射体，使得从光线射出表面射出的光线的方向比从第一光导体射出的光线的方向更靠近于光线出射表面的法线方向。
利用上述结构，当四周光线充足时，如在白天的室外环境，使用该装置时可将前置照明装置关掉；当四周光线不足时，用该前置照明装置作照明用。其结果，能提供一种反射型液晶显示装置，不管四周环境怎样，该装置能确立始终明亮的高质量显示。
上述反射型液晶显示装置还可构作得能在该反射型液晶显示元件与前置照明装置之间的间隙中充填一种填充剂，用以减小在反射型液晶显示元件与前置照明装置之间的诸光学分界面的折射率的差异。
与在反射型液晶元件与前置照明装置之间的间隙中充填了空气的这种结构相比，上述结构能减少由于在反射型液晶显示元件与前置照明装置之间的诸光学分界面上的反射造成的光线的衰减。其结果，能进一步改善来自光源的光线的使用率，并能建立一较亮的前置照明装置。
在上述的反射型液晶显示装置中，第一光导体是一多面体，它设置有一来自光源的光线通过其射入的光线入射表面、一通过其光线朝被照明物体射出的第一光线射出表面和一与第一光线射出表面相对的第二光线射出表面；第一和第二光线射出表面设置的能使离光线入射表面的距离愈大则两者之间的距离愈小。
利用上述结构，当四周光线充足时，如在白天的室外环境，使用该装置时可将前置照明装置关掉；当四周光线不足时，用该前置照明装置作照明用。其结果，能提供一种反射型液晶显示装置，不管四周环境怎样，该装置能确立始终明亮的高质量显示。
上述反射型液晶显示装置还可构作得能在该反射型液晶显示元件与第二前置照明装置之间的间隙中充填一种填充剂，用以减少在反射型液晶显示元件与第二前置照明装置之间的诸光学分界面的折射率的差异。
与在反射型液晶元件与前置照明装置之间的间隙中充填空气的这种结构相比，上述结构能减少由于在反射型液晶显示元件与前置照明装置之间的诸光学分界面上的反射造成的光线的衰减。其结果，能进一步改善来自光源的光线的使用率，并能建立一较亮的前置照明装置。
在上述反射型液晶显示器中，如果第二光线出射表面相对于第一光线出射表面的倾角为10°或更小些，则是可取的。
倾角愈大，四周光线的可利用的入射角范围大大减小，从液晶显示元件的反射光线的大部分沿几乎平行于液晶显示元件的表面的方向被反射了。为此，当倾角为10°或更小时，由于能有效使用四周光线，使显示明亮。
附图说明
下面的说明部分将会使本发明的其它目的、特点和长处变得更清楚。另外，从下面的结合诸附图的说明可明显看出本发明的诸优点。
图1是表示了按照本发明一实施例的反射型LCD的结构的剖面图；
图2是表示在一包含在图1所示的反射型LCD中的前置照明装置的光导体中的光线的情况的说明图；
图3是表示当四周光线射入一单独的液晶元件的光线的情况的说明图；
图4是表示当四周的光线射入图1所示的、以反射方式使用的反射型LCD时的光线的情况的说明图；
图5是表示射入一光导体的四周光线变为杂散光线的这种情况的说明图，用来与包括在如图1所示的反射型LCD中的前置照明装置作比较；
图6是一表示根据倾角α时的四周光线的入射角θ3(相对于反射板的法向)和出射角(相对于反射板的法向)的变化的曲线图，此时图1所示的反射型LCD是以反射方式使用的；
图7是表示在如图1所示的反射型LCD中的光线的情况的说明图；
图8是表示从在图1所示的反射型LCD中的第一光导体射向第二光导体的光线的入射范围的说明图；
图9是表示一用于测量在包括在如图1所示的反射型LCD中的前置照明装置中的光照度测量系统的说明图；
图10是表示在包括在如图1所示的反射型LCD中的前置照明装置中的照度的曲线图；
图11(a)是表示从一发光显示器射出的光线与四周光线之间关系的示意图；图11(b)是表示从如图1所示的反射型LCD射出的光线与四周的光线之间的关系的示意图；
图12是表示按照本发明另一实施例的反射型LCD的结构的剖面图；
图13是表示准备一全息图的典型方法的说明图；
图14(a)至14(b)表示一种制造包括在图12所示的反射型LCD中的前置照明装置的工艺的主要部分的诸说明图；
图15是表示包括在图12所示的反射型LCD中的前置照明装置的照度的曲线图；
图16是表示按照本发明的又一实施例的反射型LCD的结构的剖面图；
图17是表示光线射入一如图16所示的反射型LCD的光导体中后情况的说明图；
图18是表示一包括在如图16所示的反射型LCD中的棱镜片的聚光特性的曲线图；
图19(a)和19(b)是表示可用来限制进入光线的扩散的另两种结构的两个说明图，而这两种结构不是扩散板和如图16所示的棱镜片的结构。
图20是一说明图，表示了一种带有辅助照明的传统的反射型LCD的基本结构，还表示了光线在这样一种传统的反射型LCD中的情况；
图21是一表示在图20所示的传统的反射型LCD中的光线的情况的说明图。
具体实施方式
                      第一实施例
下面将参阅图1至11说明本发明的一实施例。
如图1所示，按照本发明的一反射型LCD包括一设置在一反射型液晶元件10的正面上的前置照明系统(前置照明装置)50。在液晶元件(显示元件)10与前置照明系统之间的间隙中充填有一种填充剂，这在下面要讨论。
该前置照明系统50由一光导体54(第一光导体)、一各向异性的散射板51(第二光导体)、一光源26和一反光镜27(聚光装置)组成。光源26是一线性光源，如一荧光管，并沿着一组成为光导体54的一侧面的光入射表面55方向而设置。另外，将来自光源26的光线聚集在光入射表面55上用的反光镜27(聚光装置)设置得使它整个覆盖住光入射表面55和光源26。
如图1所示，光导体54被设置得朝着观察者的那一分界面53(第二光出射表面)相对于朝着液晶元件10的那一分界面58(第一光出射表面)倾斜。换言之，光导体54是呈楔形的，这样，沿垂直于光源26的纵向的方向所剖取的横截面的形状基本上是三角形。
在光导体54中，设置得与光入射表面55垂直的分界面58将来自光源26的光线射向液晶元件10，并接收从液晶元件10反射来的光线。另一方面，分界面53将来自光源26的光线反射到分界面58，并将从液晶元件10反射来的光线射向观察者。
为了增加沿垂直于液晶元件10的方向行进的光线部分，铺设在光导体54的分界面58的外表面上的各向异性散射板51只是以在一预定角范围内的诸角度散射来自光导体的投射光线，并在不对以在预定角范围之外的诸角度投射的光线起作用的情况下透射。
光导体54可使用一种如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)的材料通过喷射铸造法形成。具体说，本实施例的光导体54的厚度制作得在其最厚处为6毫米(光线入射表面55的高度)，而在其最薄处为1毫米，其长度为60毫米，宽度为110毫米。在这种情况下，分界面53相对于分界面58的倾角为约4.8°。
接着，将说明液晶元件10的结构及其制造方法。
如图1所示，液晶元件10主要由两个电极基材11a和11b组成，在它两之间的间隙里充满了液晶层12。在电极基材11a中，有一透明的电极15a设置于一透明的玻璃基材14a上，而透明电极15a上涂覆有一层液晶校正膜(aligment film)16a。
玻璃基材14a可由例如由Corning公司制造的一种玻璃板(产品号7059)制成。透明的电极15a是由如ITO(铟氧化锡)制成。液晶校正膜16a可这样制备，即如在玻璃基材14a上设置了透明电极15a之后，使用一旋转涂膜机(spin coater)以形成由日本合成橡胶公司制造的一种校正膜材料(产品号AL-4552)的一涂层，然后进行摩擦而作为校准处理(alignment processing)。
电极基材11b是通过与电极基材11a的相同的方式制备的，即以用于电极基材11a的顺序，在一玻璃基材16b上涂敷一透明的电极15b和一液晶校准膜16b。如必要的话，电极基材11a和11b可设置绝缘膜等。
电极基材11a和11b使用一种粘结剂结合在一起，使液晶校准膜16a和16b彼此相对，这样，它们的摩擦方向彼此平行且相反(称为逆平行)。此时，由于事先在电极基材11a与11b之间散置了直径为1.5μm的玻璃隔离物，故提供了一个间隔均匀的间隙。
接着，通过用真空排气将液晶送入这个间隙中以提供一液晶层12。例如，可使用由Merc公司制造的液晶(产品号ZLI-3926)作为液晶层12所用的材料。顺便说，这种液晶材料的Δn是0.2030。但是，液晶材料并不限于这种，可使用其它许多种液晶。
另外，可使用如一种环氧基(epoxy-based)粘接剂将一经过细纹处理(hairline processing)的铝板粘接在玻璃基材14b的外部，此作为一反射板17；另将一偏振光板18安装在玻璃基材14a的外部，并使其偏振轴线离液晶12的校准方向为45°，在玻璃基材14a与偏振光板18之间的一间隙中充填一种其折射率与这两种构件的折射率相匹配的填充剂(未图示)。
反射型液晶元件10可利用上述工艺制出。通过以下列方式将这个液晶元件10与前置照明系统50相结合，就能制出具有前置照明装置的反射型LCD。首先，将各向异性的散射板51贴敷于液晶元件10的偏振光板18上。在此时，在偏振光板18与各向异性散射板51之间的间隙中充填其折射率与这两构件的相匹配的填充剂19。
接着，在各向异性散射板51上敷设光导体54。在各向异性散射板51与光导体54之间的间隙中充填其折射率与这两构件的相匹配的填充剂(未图示)。
通过在每个光导体54、各向异性散射板51、偏振光板18和玻璃基材14a之间的诸间隙中加入填充剂，使从光导体54到玻璃基材14a不存在空气层。利用这种手段，在从光导体54到玻璃基材14a的诸光学分界面上，改善或消除了折射率差。这样，能解决诸如由于在这些光学分界面上的光的干涉或反射而造成的光的削弱，以及由于反射光而对显示质量的破坏的问题。作为填充剂，可使用如UV-硬化树脂或水杨酸甲酯。
下面，针对于光导体54的光入射表面55安装如一荧光管作为光源26，并用反光镜27将它包起来。作为反光镜27材料可采用铝带。
利用上述工艺，就完成了带有一作为一前置照明装置的前置照明系统50的一种反射型LCD。当四周光线不足时，这种反射型LCD能以照明方式供使用，用前置照明系统50作照明，而当能获得四周光线时，这种反射型LCD能以反射方式被使用，将前置照明系统50关掉。利用这个手段，能提供一种不管四周环境如何而始终能稳定显示的反射型LCD。
在上述的反射型LCD中，光导体54的折射率大致等于玻璃基材14a的，并且，如上所述，从光导体54到玻璃基材14a无敞开的间隙(空气层)。出于这些原因，即使这种反射型LCD以反射方式使用，将前置照明系统关掉，光导体54不会对显示产生坏影响。
在光导体54中，如分界面53相对于分界面58的倾角不大于40°，那是可取的。之所以要这样的理由将在下解释。
如图2所示，来自光源的光线经过光线入射表面55进入光导体54。在此，为简化起见，假设经过光线入射表面55的射入光导体54的光线全部平行地行进，所有光线投射到分界面53上。
如投射在分界面53上的光线的入射角小于临界角，光线就穿过该分界面53。相反，如入射角大于临界角，光线就被分界面53全部反射。
由于按照本实施例的前置照明系统50使用从分界面53反射的光线以给液晶元件10照明，故如所有投射的光线全被分界面53反射那是最好的。在此，如图2所示，如α表示分界面53相对分界面58的倾角，则从光线入射表面55投射到分界面53的光线的入射角为如由下式表示的θ2角：
θ2＝90°-α
如光导体54用一种丙烯基(acrylic-based)聚合物制成，其折射率为约1.5。顺便说，无色透明的有机聚合物材料的折射率通常为约1.4至1.7。针对这样情况，光导体54的临界角通常不大于50°。因此，可看出：为了确保θ2角不小于50°，如α角为40°或更小些，则是最好的了。
如上所述，如设定分界面53相对于分界面58的倾角不大于40°，垂直于光线入射表面55行进的光线全部被分界面53反射，这样，就能减少从分界面53朝着观察者漏掉的光线量。其结果，改善了来自光源的光的使用率，就能防止由于从分界面53漏掉光线造成的对显示质量的损害。
另外，当考虑将按照本实施例的反射型LCD以反射方式使用时，当前置照明系统50关掉后，如分界面53相对于分界面58的倾角不大于10°，那是最好的了。之所以为此的原因将在下面讲解。
首先，为了对比起见，结合图3只说明投射到液晶元件10中的四周光线的情况。如图3所示，在假设四周光线直接射入液晶元件10的情况下，该光线以一入射角θ3射到液晶元件10的表面10a上，并以出射角θ4在液晶元件10中行进，又在设在液晶元件10的底部的反射板17上反射，再射到表面10a上，并经折射以一角θ5射出。在这种情况下，如液晶元件的折射率为n1，则角θ3至θ5为：
θ4＝arcSin((Sinθ3)/n1)
θ5＝arcSin(n1×Sinθ4)
从上述公式可看出：θ3＝θ5
对比之下，在图4所示的按照本实施例的反射型LCD中，由于前置照明系统50是设置在液晶元件10的前面，四周光线在反射型LCD的表面(即光导体54的分界面53)上的入射角θ6、从分界面53的出射角θ7、在反射板17的入射角(反射角)θ8、再次进入分界面53时的入射角θ9和从分界面53的出射角θ10则表示在下面诸公式中。在此，如在上述情况中，四周光线是相对于反射板17的法线方向以一角θ3射入的。
θ6＝θ3-α
θ7＝arcSin((Sinθ6)/n1)
θ8＝θ7+α
θ9＝θ8+α
θ10＝arcSin((n1×Sinθ9)
这里，如光线以一相对于反射板17的法线方向为θ11的出射角从分界面53射出，并且，此角θ1以下面公式表示为：
θ11＝arcSin[n1·Sin[arcSin{Sin(θ3-α)/n1+2α}]]
在这种情况下，可看出：当在液晶元件10的前面设置了前置照明系统50时，射入和射出的各光线之间的角度关系与只有液晶元件10时的情况不同。尤其是，当分界面53相对于分界面58的倾角较大时，如图5所示，可能一部分的射出光线要从光导体54的分界面53上被反射，这样就变成漫射光线。因此，这样的大倾角α是不可取的。
接着，图6表示的是对于多种倾角α值的情况下，当反射板17的折射率n1为1.5时，四周光线以相对于该反射板17的法线方向为一θ3角而射入分界面53，而又以相对于该反射板17的法线方向为一θ11角从分界面53射出的情况的计算结果。在图6中，相对于θ3角，正值表示的是在图4中的顺时针方向，负值表示的是在图4中的逆时针方向。此外，为了简化起见，未区别表示出角θ11的正、负值。
通过对图6中的每一角α值在可能的角θ3范围内作出比较后，可清楚看出：倾角α越大，四周光线在反射方式(关掉前置照明系统50)中可使用的角度范围越小。
另外，通过对在图6中的每一个角α的最小角θ11值的比较可清楚看出：倾角α越大，出射角的最小值则越大。换言之，这意味着：接近于水平方向射出的光线部分增加了，而接近于反射板17的法线方向射出的光线部分则减少了。
由于观察者通常是从前面直接看显示器的，即从反射板17的法线方向观看的，所以如光线以小于或等于30°的角θ11射出时则是最好的了。因此，根据图6，如倾角α值为10°或更小时则是可取的，如为5°或更小些则更好。在这种情况下，当按照本实施例的反射型LCD以反射方式使用时，沿反射板17的法线方向射出的光线量增多了，使增亮了显示。
下面要描述用作第二光导体的各向异性散射板51的特性。该各向异性散射板51是一向前散射体(borward-scattering body)，如图7所示，该散射体将从光导体54射入的光线仅仅沿光线行进方向散射，该散射板51也是一种具有如下特性的各向异性散射体，即它只散射以在图8中所示的预定范围(-10°至-70°)内的各角度射入的光线，而以在这预定范围外的各角度射入的光线则被全部透射过去。作为满足这些条件的材料，在市场上有供应的是诸如例如由住友(Sumitomo)化学有限公司制取的观察角控制板(产品名：Lumisty)的诸产品。
由于该各向异性散射板51是一向前散射体，故使向后散射即朝向观察者的那部分光线，在被液晶元件10调制之前就被消除了，这样就改善了显示质量。图7示意表示了从各向异性散射板51与填充剂19之间的分界面射来的又被散射的光线，但实际上，当来自光导体54的光线行经各向异性散射板51时被散射了。
从光导体54进入各向异性散射板51的光线的入射角大致为70°，这个入射角正处在被各向异性散射板51散射的光线的角度范围(-10°至-70°)内。为此，该各向异性散射板51只散射经过光导体54(第一光导体)被导向的光线，而其它光线不受影响而继续透射前进。因此，四周光线(以反射方式)和从液晶元件10反射的光线通过各向异性散射板51而未被散射，这样，在反射方式时该各向异性散射板51不会损坏显示质量。
下面将说明前置照明系统50的照度的测量结果。为了测量前置照明系统50的照度，使用了像图9所示的一个测量系统。使用一传感器34，使它与该各向异性散射板51的法线方向的夹角为0°，用来测量从0°至90°范围内的光强。这个测量是在一容器中进行的，该容器(如一油槽)中充满了一种其折射率与光导体54的相等的配合剂(matching agent)。
图10表示出该测量结果。从图10可清楚看出，利用各向异性散射板51，该前置照明系统50能将来自光导体54的光线(在各向异性散射板51处的入射角为约70°)以一接近于垂直的角度射向液晶元件10。
另外，如图8所示，按照本实施例的反射型LCD很少有从一在-10°至-70°间，即在被各向异性散射板51散射的光线的各角度的范围内的方向观察的。因此，在通常的使用范围内，各向异性散射板51的光线散射不会影响到观察者对液晶元件10的显示像的观察。
按照本实施例的反射型LCD的优点是，它的显示器比诸如透射型LCD、CRT和PDP的自照明显示器更明亮。
对此的说明如下：
如图11(a)所示、来自一自照明显示器35的光线36a沿着与四周光线37相反的方向投射。为此，被观察者所看到的是从光线36a中减去四周光线37后的剩余部分36b。
对比之下，当按照本实施例的反射型LCD被以照明方式使用时，如图11(b)所示，来自一前置光源20的辅助光线39a和四周光线37均被液晶元件10的反射板(未图示)所反射，被观察者所观察到的部分39b是辅助光线39a加上四周光线的和。为此，不但在黑暗区而且在如白天的室外均能获得明亮的显示。
                      第二实施例
下面将参阅图12至15说明本发明的另一实施例。具有与在上述第一实施例中说明的结构的相同的功能的结构将采用相同的标号，它们的说明也就省略了。
如图12所示，按照本实施例的反射型LCD设置有一全息图52，而不是第一实施例中的、散射来自光导体54的光线的各向异性散射板51，该全息图衍射来自光导体54的光线。
根据光的衍射原理，由于一全息图具有控制光的反射和衍射的作用，单个全息图能给出几种光学特性。首先，结合图13说明一种制备一全息图的典型方法。
如图13所示，来自一光源127的光线投射到一涂覆在一基材表面上的光敏聚合物124上。从光源127投射来的光线127a被一分光镜123分为光线127c和127d。光线127c被一物体128散射，并投射到光敏聚合物124上以作为物体光线126。光线127d被一镜片129反射，并以一预定角度射到光敏聚合物124上作为基准光线125。由于物体光线126与基准光线125之间发生干涉，具有高折射率的诸层与具有低折射率的诸层以一亚微米数量级(sub-micronorder)形成在该光敏聚合物124中，如此而制成一全息图。利用以这种办法记录的全息图，通过从投射基准光线的方向将投身到该全息图上，使记录的像重新形成为物体光线126。
有一可产生相干光，如一激光的装置可用于光源127。通过调节来自光源127的光线的状况，如波长和强度，能产生一全息图，在其中，物体光线126建立起一种具所需方向和散布角的输出光线。
下面将参阅图14(a)至14(b)说明一种制造一可提供一全息图52的前置照明系统60的方法。
首先，如图14(a)所示，将一光敏聚合物64涂覆在用作一基材的聚酯膜69的表面上。可使用如一种由Polaroid公司制造的光聚合物(photo-polymer)(产品名：DMP-128)用于光敏聚合物64。
接着，将在第一实施例中说明过的光导体54，按图14(b)所示的情况，安装在聚酯膜69的、与涂上光敏聚合物64的一侧相反的一侧上。
然后，如图14(c)所示，将一光源65放在与光导体54的光线入射表面55相对的位置上，基准光线65a投射经过光线入射表面55。与此同时，将一光源66置于相对于光导体54的分界面58的法线方向有一10°倾角的位置上，而物体光线66a投射到光敏聚合物64上。在该实施例中，物体光线66a是以一从光敏聚合物64的法线方向倾斜10°的倾角投射的，基准光线65a投射到光敏聚合物64上(作为第二光导体)，此时其入射角等于由光导体54射出的光线的入射角。
如图14(d)所示，通过投射红、绿和蓝每一种成分的基准光线65a和物体光线66a，在诸分离的涂层中能形成与红、绿和蓝诸成分相对应的一红色全息图64R、一绿色全息图64G和一蓝色全息图64B。换言之，全息图52是由全息图64R、64G和64B组成。
最后，通过提供一荧光管(三波长管)作为光源26，并用反光镜27包复光线进入表面55和光源26，可完成按照本实施例的前置照明系统60。
借助前面的工艺，完成了一设置有一作为一前置照明装置的前置照明系统60的反射型LCD。当四周光线不足时这个反射型LCD能用于照明方式以用该前置照明系统60作照明，而当能获得充足的四周光线时，能用于反射方式以将该前置照明系统60关掉。利用这种手段，能提供一种反射型LCD，无论四周环境如何，它始终能稳定地显示。
下面将说明该前置照明系统60的照度的测量结果。图9所示的测量系统被用于测量照度，其测量结果表示在图15。从图15可清楚看出：通过使用作为第二光导体的全息图52，前置照明系统60能将来自光导体54(在全息图52上的入射角为约70°)的光线以一几乎垂直的角度射向液晶元件10。另外，通过图10与15的比较可清楚看出：全息图52的优点是，能以比在第一实施例中使用的各向异性散射板51更大的精度，将射出的光线的角度调节在某一范围内。
在前面的说明中，可使用一光敏聚合物制备一全息图，但是，只要能获得相同的效果，就不必限制于这个。还有，不必将在记录中物体光线的投射方向限制于上述的方向。再有，在上述讲解中，为了在光导体将来自光源的光线射向全息图52的方向与基准光线的投射方向之间的一致性，基准光线65a投射经过光导体54的光线进入表面55，但是，也可采用另外的具有相同效果的方法，如将一事先记录的全息图板(hologram plate)连接于光导体54。
另外，前面曾说明过的一种结构是，使用一全息图以衍射从光导体54(第一光导体)射来的光线，并以一几乎垂直的角度将该光线射向液晶元件10。然而，也能使用一不是一全息图的其它构件，如一衍射栅。
                      第三实施例
下面将参阅图16至19说明本发明又一实施例。具有与前面所述的任一实施例的相同的功能的结构使用相同的标号，其说明就省略了。
如图16所示，按照本实施例的反射型LCD具有一前置照明系统70(而不是第一实施例中的前置照明系统50)，该系统还包括设置在光源26与光线进入表面55之间的一扩散板82和一棱镜片81，以用来限制来自光源26的光线的扩散。
由通常用作光源26的荧光管发出的光线没有特定的定向性，是随机性发出光线的。为此，有些光线从光导体54的分界面53射来但未射向观察者而漏掉，这样就削弱了显示质量。
如光导体54由PMMA制成，由于PMMA的折射率为约1.5，分界面53的临界角则为约42°。因此，如在分界面53上的入射角小于42°，就发生光线的漏出。为防止发生这情况，要足以确保没有光线以一会引起漏出的角度射入光导体54。
在此，如分界面53相对于分界面58的倾角为α时，并且，当从光线进入表面55射入后的光线散布角是±β时，在分界面53上的光线的入射角θ为：
θ＝90°-α-β
因此，要确保从光线进入表面55射在分界面53上的光线不通过分界面53的条件为：
θc＜θ＝90°-α-β
换言之，
θ＜90°-(θc+α)                (公式2)
在本实施例中，和上述第一实施例一样，由于分界面53相对于分界面58的倾角是4.8°，且临界角θc为42°，则根据公式(2)，β＜43.2°。
发自光源26的光线首先被扩散板82所分散，然后射入棱镜片81。棱镜片81具有将被分散的光线会聚在一定的角度范围内的功能。如棱镜片的顶角为100°，如图18所示，被分散的光线就会聚到大约±40°的范围内。当会聚在大约±40°的光线射入光导体54时，又被光线入射表面55折射而会聚，成为散布范围为大约±25.4°的光线。换言之，进入光线入射表面55的散布角很好地在上述范围β＜43.2°内，使来自分界面53而朝向观察者的光线不会外漏掉。
如上面讨论的，在本实施例中，为了限制来自光源的光线的散布，在光源26与光导体54的光线入射表面55之间设置一扩散板82和一棱镜片81，因此，来自分界面53而朝向观察者的光线不会外漏掉，如此就改善了显示质量。
在本实施例中，棱镜片81用作一光控制装置以限制来自光源的光线的扩散，但是，只要达到相同的效果，不必加以限制。例如，可使用一准直仪。还有，如图19(a)所示，使用另一种结构可获得相同效果，在该结构中，光源26被一椭圆镜98所包围，光源26位于该椭圆镜的焦点上。另外，如期刊“SIDDIGEST”(1995年)第375页上讨论的，与如图19(b)所示的类似的一光管99可用来控制来自光源26的扩散。
上述诸实施例并不对本发明有限制，在本发明范围内能有许多变型设计。例如PMMA曾被引用作为前置照明系统的一光导体用材料的一个具体实例。然而，凡能均匀传导光线而不被减弱，并具有一合适数值的折射率的任何材料，如聚碳酸酯、聚氯乙烯和聚酯等等均可被采用。
此外，可使用多种LCD于液晶元件，如简单基质LCD(simple matrix LCD)和活性基质LCD(active matrix LCD)等等。还有，上述诸实施例使用一ECB方式(单独偏振光板方式)液晶元件，其中的单块偏振光板用作偏振器和分析器，然而也可使用不采用偏振光板的其它方式，如PDLC和PCGH等等。
在上面的本发明的详细说明中讨论的实施的诸具体的实施例和实例只是用来说明本发明的技术细节，因此，并不能将本发明狭窄地理解为在这些具体实例的范围内，然而在不偏离本发明的精神和下面提出的权利要求的范围的情况下可采用许多变型设计。

Claims (18)

1.一种前置照明装置，它包括一光源和一将来自所述光源的光线导向一被照明的物体的光导体，所述前置照明装置用来被安装在所述被照明物体的前面，其中：
所述光导体包括有一第一光导体和一第二光导体，其中的第一光导体设有一第一光线入射表面，来自所述光源的光线通过该表面而射入，第二光导体设有一光线射出表面，光线经过该表面射出而射向被照明物体；
所述第一光导体将光线从所述光线入射表面导向所述第二光导体；以及
所述第二光导体是散射光线的光线散射体或光线衍射体，使得从所述光线射出表面射出的光线的方向比从所述第一光导体射出的光线的方向更靠近于所述光线出射表面的法线方向。
2.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，
所述光线散射体是一向前散射体。
3.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，
所述光线散射体是一各相异性散射体，它只散射具有在一预定范围内的诸角度的入射光线；以及
至少部分从第一光导体射向第二光导体的光线具有在该预定范围内的入射角。
4.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，
所述衍射件只衍射具有在一预定范围内的诸角度的入射光线；以及
至少部分从第一光导体射向所述衍射件的光线具有在该预定范围内的入射角。
5.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，还包括：
设置在所述光源与所述光线入射表面之间的、限制来自所述光源的光线的散布的光线控制装置。
6.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，
所述第一光导体与第二光导体之间的一间隙内充填了一种填充剂，该填充剂缩小了在所述第一和第二光导体之间的诸光学分介面的诸折射率的差异。
7.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，还包括：
将来自所述光源的光线只聚集在所述第一光导体的光线入射表面上的聚光装置。
8.如权利要求1所述的前置照明装置，其特征在于，
所述第一光导体是一多面体，它设置有一来自所述光源的光线通过其射入的光线入射表面、一通过其光线朝所述被照明物体射出的第一光线射出表面和一与所述第一光线射出表面相对的第二光线射出表面；
所述第一和第二光线射出表面设置的能使离所述光线入射表面的距离愈大则两者之间的距离愈小。
9.如权利要求8所述的前置照明装置，其特征在于，
满足α≤ 90°-θc，其中：
α是所述第二光线出射表面相对于第一光线出射表面的倾角；以及
θc是所述第二光线出射表面的临界角。
10.如权利要求8所述的前置照明装置，其特征在于，
所述第二光线出射表面相对于第一光线出射表面的倾角不大于40°。
11.如权利要求8所述的前置照明装置，其特征在于，还包括：
设置在所述光源与所述光线入射表面之间的、限制来自所述光源的光线的散布的光线控制装置。
12.如权利要求8所述的前置照明装置，其特征在于，还包括：
将来自所述光源的光学只聚集在所述光导体的所述光线入射表面上的聚光装置。
13.一种反射型液晶显示器，它包括一有一反射板的液晶显示元件，在其中：一前置照明装置设置在所述反射型液晶显示元件的前面，该前置照明装置包括一光源和一将来自所述光源的光线导向一被照明的物体的光导体，所述前置照明装置用来被安装在所述被照明物体的前面，其中：
所述光导体包括有一第一光导体和一第二光导体，其中的第一光导体设有一第一光线入射表面，来自所述光源的光线通过该表面而射入，第二光导体设有一光线射出表面，光线经过该表面射出而射向被照明物体；
所述第一光导体将光线从所述光线入射表面导向所述第二光导体；以及
所述第二光导体是散射光线的光线散射体或光线衍射体，使得从所述光线射出表面射出的光线的方向比从所述第一光导体射出的光线的方向更靠近于所述光线出射表面的法线方向。
14.如权利要求13所述的反射型液晶显示器，其特征在于，
所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的一间隙内充填了一种填充剂，该填充剂缩小了在所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的诸光学分介面的诸折射率的差值异。
15.如权利要求13所述的反射型液晶显示器，其特征在于，所述第一光导体是一多面体，它设置有一来自所述光源的光线通过其射入的光线入射表面、一通过其光线朝所述被照明物体射出的第一光线射出表面和一与所述第一光线射出表面相对的第二光线射出表面；所述第一和第二光线射出表面设置的能使离所述光线入射表面的距离愈大则两者之间的距离愈小。
16.如权利要求15所述的反射型液晶显示器，其特征在于，
所述前置照明装置的所述光导体设置得使所述第二光线出射表面相对于所述第一光线出射表面的倾角不大于10°。
17.如权利要求15所述的反射型液晶显示器，其特征在于，
所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的一间隙内充填了一种填充剂，该填充剂缩小了在所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的诸光学分介面的诸折射率的差异。
18.如权利要求16所述的反射型液晶显示器，其特征在于，
所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的一间隙内充填了一种填充剂，该填充剂缩小了在所述反射型液晶显示元件与所述前置照明装置之间的诸光学分介面的诸折射率的差异。
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