CN1729413A - 辅助光源和前灯 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种辅助光源以及一种有效地发射光到光导板上的前灯。在光棒中心的棱镜(14a)的剖面形状是顶角(T°)为100°，倾角(a1)为40°的等腰三角形。棱镜14a的深度是D1μm。从光棒端部1/4位置处的棱镜14b的剖面形状是顶角(T°)为100°，倾角(a2)为34.8°的三角形。该棱镜14b的深度为D2μm。在光棒端部的棱镜14c的剖面形状是顶角(T°)为100°，倾角(a3)为24.05°的三角形。该棱镜(14c)的深度是D3μm。

Description

辅助光源和前灯
技术领域
本发明涉及一种辅助光源以及前灯，尤其是一种具有将点光源的光转换为线光源的光功能的辅助光源和前灯。
背景技术
反射或透反射的液晶显示装置包括具有一对相对基板和夹在该相对基板间的液晶层的液晶单元，以及在使用外部光源显示图像的反射模式中的所谓的显示功能。这种类型的装置甚至在外部光源微弱的时候用相同的反射模式显示图像，因此，它提供有一种作为表面照明装置的前灯，来从液晶单元的显示侧对液晶单元提供照明。
这种前灯主要包括与液晶单元的显示侧表面基本平行面对的光导，和放置在光导的端面的用于发射光至端面的边缘灯(侧灯)。从边缘灯射出的光通过光导进行传输，改变其传播方向到光导中面对着液晶单元的光导的下侧面，也就是，液晶单元的显示侧的表面，然后进入液晶单元。
边缘灯是用于前灯的辅助光源，其主要包括用于引导光进入光导的延长的圆柱形的光棒，以及用于发射光到光棒中的设置在光棒两侧的点光源。LED通常作为点光源使用。边缘灯的结构是这样的，它把从作为点光源的LED发射的光在光棒中转换成线光源，然后引导转换后的光进入光导。
边缘灯中的光棒在相对于光导端面的表面提供了多个棱镜，并且从边缘灯中发射出来的光通过这些棱镜基本垂直于光导的端面(日本公开专利出版物NO.2004-345006(第[0004]和[0005]段))。
然而，实际情况是常规的作为前灯辅助光源的边缘灯不能从光棒发射表面发射基本垂直于光导的光。因此，常规的边缘灯不能有效地把光发射至光导中。
发明内容
本发明可用于解决这类问题，其目的在于本发明提供一种能够有效地发射光至光导板上的辅助光源和一种用于辅助光源的前灯。
本发明的辅助光源包括具有多个棱镜的反射棱镜面，和具有相对于反射棱镜面的光发射面的延长的光棒，因此入射光在其中传输，传输光在反射棱镜面上反射，然后这种被反射的光从光发射面发射出来，光发生装置被设置在光棒两侧以便产生光并发射光到光棒中，其中多个棱镜具有考虑到从光发生装置发出的直接光的路径以及在光发射面上反射的光的路径的剖面形状。
依照这种结构，光棒的棱镜反射面上形成的多个棱镜都具有考虑到从光发生装置发出的直接光的路径以及在光发射面上反射的光的路径的剖面形状，从而它才不仅可以发射来自光发生装置中的直接光，而且来自光发生装置的反射光在光发射面上反射到与光发射面基本垂直的光导，结果就是将光从光棒中有效地发射到光导。
在本发明的辅助光源中，优选的是剖面形状是有一个顶锥角和两个倾角的大致三角形，其中在每个棱镜中顶锥角是不变的，以及其中每个棱镜倾角相互都是不一样的。
在本发明的辅助光源中，优选的是在光棒中心的棱镜大致是等腰三角形的形状。
在本发明的辅助光源中，优选的顶锥角(T°)是由以下公式(1)计算得来的：
T＝180-2×(45-1/2×tan-1(3W/L))     公式(1)
其中L代表光棒的长度，W代表光棒的宽度。
在本发明的辅助光源中，优选的更小的倾角(a(X)°)是由以下公式(2)计算得来的：
a(X)＝45-1/2×tan-1(W/2X)           公式(2)
其中W代表光棒的宽度，X代表从光棒的端部到特定棱镜的距离。
在本发明的辅助光源中，优选的接近光棒端部的倾角(a(X)°)是由以下公式(3)计算得来的：
a(X)＝45-1/2×tan-1(3W/2X)          公式(3)
其中W代表光棒的宽度，X代表从光棒末端到特定棱镜的距离。
在本发明的辅助光源中，优选的接近光棒端部的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(2)计算得来的，在光棒中心的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(3)计算得来的。
在本发明的辅助光源中，优选的易于受直接光影响的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(2)计算得来的，易于受在光发射面上反射的光的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(3)计算得来的。
在本发明的辅助光源中，优选的在X＜2mm范围内的棱镜的倾角(a(X)°)是恒定的。
在本发明的辅助光源中，优选的多个棱镜的深度(Dμm)是由下列公式(4)至公式(6)计算得来的：
(N＝1 to 17)
D(N)＝24.3                      公式(4)
(N＝18 to 28)
D(N)＝1.5×N-1.2                公式(5)
(N＝29 to 85)(光棒中心)
D(N)＝0.6×N+24                 公式(6)
其中N代表从光棒端部的棱镜的数目。
在本发明的辅助光源中，优选在反射棱镜表面上形成反射金属膜。
在本发明的辅助光源中，优选的是光棒有调节区域Y，其中使用通过公式(2)计算得出的倾角的棱镜和使用通过公式(3)计算得出的倾角的棱镜交替形成。
本发明的前灯表征为具有包括上述的辅助光源和一种发射作为面光源光的辅助光源的光导。
依照这种结构，辅助光源能够有效地发射光到光导，从而有效地发射光至液晶单元。
本发明的液晶显示装置表征为包括了一种具有反射部件和上述描述的施加光到液晶单元上的前灯的液晶单元。
依照这种结构，前灯能够有效地发射光到液晶单元，从而有效地提高光在液晶单元上的利用率以及降低能量消耗量至低水平。
附图说明
图1示出依据本发明实施例具有辅助光源的前灯的一种设置的视图；
图2示出依据本发明实施例的辅助光源中棱镜的位置视图；
图3是图2中A部分的放大图；
图4是图2中B部分的放大图；
图5示出依据本发明的用于检测该辅助光源效果的左右角的视图；
图6示出依据本发明的辅助光源左右角的效果图；
图7示出比较例中辅助光源的棱镜的视图；
图8示出比较例中辅助光源的左右角的效果图；
图9示出依据本发明的具有辅助光源的前灯的液晶显示装置设置的剖视图；
图10示出依据本发明的辅助光源中倾角的改变的图解；和
图11示出依据本发明的辅助光源中可调节区域的图解。
具体实施方式
本发明人已经注意到这个事实，当光从包括具有反射棱镜面和光发射面的延长光棒和设置在光棒两侧的光发生装置的辅助光源中被发射到光导时，被发射到光导的一部分光从光发生装置中发射出来，然后直接在反射棱镜面上反射，其他部分的光从光发生装置发射出来，在光发射面上反射，然后在反射棱镜面上反射。那么，本发明人从通过考虑顶角、倾角和棱镜的深度来确定棱镜的剖面形状，便可能有效地发射两束光线到光导的这个发现中想到本发明。
也就是说，本发明的主题是通过包括具有多个棱镜的反射棱镜面和与反射棱镜面相对的光发射面的光棒，以及产生光用于发射到光棒的光发生装置，实现可以有效地把光发射到光导的辅助光源，其中多个棱镜具有考虑到来自光发生装置的直接光的路径和在光发射面上反射的光的路径的剖面形状。
下面将参照附图对本发明的实施例做详细的解释。
图1示出了依据本发明实施例具有辅助光源的前灯的设置的视图。
图1中示出的前灯主要包括具有延长的圆柱形形状的光棒(灯管)11构成的辅助光源、设置在光棒11两侧的作为光发生装置的LED12，以及引导光从该辅助光源至液晶单元的光导13。
光棒11具有与光导13相对的反射棱镜面11a以及与反射棱镜面11a相对的光发射面11b(更接近光导13的一侧)。上述反射棱镜面11a以预定间隔提供有多个棱镜14(14a-14c)。而且，该反射棱镜面11a提供有用于反射从LED 12发出的光或由光发射面11b反射的光的反射金属膜。通常使用例如Al膜的金属膜作为反射金属膜。
当在前灯上可以观测到光棒11的棱镜线时，也可能将诸如具有高反射率的金属颗粒例如Al的漫射颗粒与光棒11的材料进行混合。这可以扩宽从光棒11发射出的光，使之很难看到棱镜线。也可以在光棒11的光发射面11b上设置漫射薄板，来取代漫射颗粒与光棒11的材料的混合。
考虑到来自LED的直接光的光学路径以及在光发射面上反射的来自LED的光的光学路径，确定在反射棱镜面11a上形成的多个棱镜14的剖面形状。也就是，在图1中，当光从LED 12中发出到光导13时，有两种光线，一种是从LED 12中发出直接引导到反射棱镜面11a上，另一种是从LED 12发出在光发射面11b上反射并被引导到反射棱镜面11a上。为了有效地引导光到达光导13，有必要考虑这两种光学路径来确定棱镜的剖面形状。
因此，当考虑到从LED 12发出的光16的光学路径，在光发射面11b上反射然后被引导到反射棱镜面11a时，光棒11的长度和宽度以及棱镜的深度都会影响棱镜14的剖面形状。因此，考虑到这些因素，形成在反射棱镜面11a上的棱镜14的剖面形状都是单独决定的。
例如，如图1所示，在基本位于中心的棱镜14a的剖面形状是具有100°顶角(T°)和40°倾角(a1)的等腰三角形。该棱镜14a的深度是(D1μm)。而且，如图1所示，距光棒末端的1/4位置处棱镜14b的剖面形状是具有100°顶角(T°)和34.8°倾角(a2)的三角形。该棱镜14b的深度是(D2μm)。而且，如图1所示，在光棒末端处的棱镜14c的剖面形状是具有100°顶角(T°)和24.05°倾角(a1)的三角形。该棱镜14c的深度是(D3μm)。也就是，所有棱镜14的顶角都是一样的，同时棱镜14的倾角都是设置为以便从更接近LED 12的位置到中心而增加。而且，棱镜的深度设置为从更接近LED 12的位置到中心而增加。
顶角、倾角以及棱镜14的深度可以由以下公式为基础计算得出。这些公式包含了考虑到从LED 12发出、在光发射面11b的反射以及然后被引导到反射棱镜面11a的光16的光学路径的因素。这就允许获得不同剖面形状的棱镜14。
顶角(T°)可以由以下公式(1)计算得来，其中L代表光棒的长度，W代表光棒的宽度。
T＝180-2×(45-1/2×tan-1(3W/L))   公式(1)
倾角中较小的倾角(a(X)°)可以由以下公式(2)计算得来；
a(X)＝45-1/2×tan-1(W/2X)    公式(2)
其中W代表光棒的宽度，X代表从光棒的一端到特定棱镜的距离。
而且，倾角中较小的倾角(a(X)°)可以由以下公式(3)计算得来；
a(X)＝45-1/2×tan-1(3W/2X)   公式(3)
其中W代表光棒的宽度，X代表从光棒末端到特定棱镜的距离。
公式(2)及公式(3)示出了棱镜的倾角(a(X)°)，公式(2)是考虑到来自LED的直接光的棱镜的倾角(a(X)°)的计算公式，而公式(3)是考虑到在光发射面上反射的光的棱镜的倾角(a(X)°)的计算公式。
在光棒中，直接光的影响在更接近光棒末端的区域上相对大，而反射光的影响在光棒中心的区域上相对大。因此，依据直接光或反射光的影响，棱镜的倾角(a(X)°)可以适当地运用公式(2)或公式(3)进行计算。也就是，接近光棒末端的棱镜的倾角(a(X)°)由公式(2)计算得出，而接近于光棒中心的棱镜的倾角(a(X)°)由公式(3)计算得出。
在更接近光棒末端的X＜2mm的区域中，棱镜的倾角(a(X)°)可以保持不变。当棱镜的倾角(a(X)°)太小时，光棒的加工变得困难，因此，在更接近光棒末端的区域中保持棱镜的倾角(a(X)°)恒定可以使得光棒的加工变得更容易。
多个棱镜的深度(Dμm)是由下列公式(4)至公式(6)计算得来的：
(N＝1 to 17)
D(N)＝24.3        公式(4)
(N＝18 to 28)
D(N)＝1.5×N-1.2          公式(5)
(N＝29 to 85)(光棒中心)
D(N)＝0.6×N+24           公式(6)
其中N代表从光棒末端的棱镜的数目。
在以上所述的辅助光源的构造中，从LED 12发出的光在光棒11中传输，在反射棱镜面11a上被反射，然后从光发射面11a中发射到光导13中。在这种情况下，由于形成了考虑到来自LED的直接光以及从LED发出的在光发射面上反射的光的光学路径而具有剖面形状的棱镜，不仅可以发射来自LED的直接光，而且可以发射来自LED中并在光发射面上反射到与光发射面基本垂直的光导的光，因此，从光棒中有效地发出光到光导中也是可能的。而且，辅助光源可以有效地发射光到光导中，因此有效地发射光到液晶单元中。
下面将解释执行用于证实本发明效果的实施例。
图2说明了依据本发明实施例的辅助光源中棱镜的位置。图3是图2的A部分的放大视图。图4是图2的B部分的放大视图。
图2示出的光棒11在反射棱镜面上具有的169个棱镜14。这些棱镜14是从光棒11的一端到中心进行编号为N＝1，2，......，84，85等等。光棒11的长度是59.2mm，光棒11的宽度是3.5mm。棱镜间的间距固定在0.35mm。
在这样的光棒11中，棱镜14的剖面形状由公式(1)至公式(6)确定的顶角、倾角以及深度来确定。例如，顶角固定在100°，棱镜NO.1的倾角为24.05°，棱镜NO.85的为40°。棱镜NO.1的深度为24.3μm，棱镜NO.85的为75μm。
关于在图2中示出的具有光棒11的辅助光源，通过模拟进行分析以便得知光是否被垂直于光导而发射。更具体地，垂直方向发射的光通过计算其强度(cd)作为参数来被评价。在这种情况下，如图5所示，从垂直的位置(0°)向右的倾斜方向作为(+)，而向左的倾斜方向作为(-)。
而且，作为比较例，使用提供有含有多个具有剖面形状相似的(120°的顶角以及30°的倾角)不同高度(h1到h3)的棱镜的光棒21、以及设置在两端的LED 22的辅助光源，进行如图7所示的模拟。
由模拟的结果中判断出，显然如图6所示，本发明的辅助光源可以基本垂直地从LED 12发出光。而且，可以理解整体光强度也是很高的。因此，本发明的辅助光源可以有效地发射出大量光到光导。另一方面，在比较例中的辅助光源包含了向右偏移大约10°的光，显然如图8所示具有相对低的强度。由于这个原因，该辅助光源不能有效地发射光到光导中。
那么，下面将阐述这种具有上述辅助光源的前灯应用于液晶显示装置的情况。图9是剖面视图，示意性地示出包括具有本发明的辅助光源的前灯的液晶显示装置的构造。
这里，也将阐述液晶显示装置是反射型液晶显示装置时的情况。如图9，这里实际上是电子元件与光学元件，例如电极和滤色器，但是为了简单起见将省略这些元件。
如图9所示的液晶显示装置主要包括液晶单元33以及作为表面照明装置来提供光给液晶单元33的前灯30。前灯30主要包括依据本发明的辅助光源31以及用于引导光从辅助光源31到液晶单元33的光导32。
光导32具有在类似峰部分和类似谷部分之间交替的形状。这种形状是由在光导延伸的方向上具有相对大区域的相对轻微的斜坡与在同样方向具有相对小区域的相对陡峭的斜坡的组合进行重复而形成的。由邻近的类似峰部分构成的纵向方向凹槽(凹槽方向)是与光导32延伸的方向基本平行的。
液晶单元33主要包括一对彼此相对放置的玻璃基板33a和33c，以及放置在两玻璃基板间的液晶层33d。作为光反射部件的的反射器33b提供在位于玻璃基板33a上的区域中，并与液晶层33d接触。可以使用金属薄膜等作为反射器33b，该金属薄膜可以采用例如溅射等物理方法在玻璃基板33b上形成。
偏振板33e设置在位于另一玻璃基板33c上的表面上，其不与液晶层33d相接触。该偏振板33e可以通过将其粘贴到玻璃基板33c的表面上来进行设置。关于液晶单元33，可以使用用作反射型液晶显示装置的同样元件。
用这种方法配置的液晶单元33设置在与前灯30预定的距离处。也就是说，液晶单元33以及前灯30都用液晶单元33的偏振板33e的表面与前灯30的光发射面相对的这种方式进行设置。
在以上所述构造中的液晶显示装置中，从辅助光源31的LED中发出的光在光棒中在反射膜上被反射，然后发射到光导32。
来自前灯30的光发射到光导32的端面。光导32在其内部传输入射光。在这种传输过程中，随着其传播方向的显著改变，光在光导32陡峭斜面上被反射，然后从光导32的底面(光发射面)发射到液晶单元33。
从前灯30中发出的光通过偏振板33e、玻璃基板33c以及液晶层33d被传输，在反射器33b上反射，再通过液晶层33d、玻璃基板33c以及偏振板33e传输，进一步传输通过前灯30的光导32然后被发射到外面。这样就提供了反射模式的显示器。
如上所述，在具有本发明的辅助光源的前灯的液晶显示装置中，辅助光源可以有效地发射光到光导中然后有效地发射光到液晶单元中。它改进了液晶单元的光利用效率，也由此将能量消耗抑制在一个很低的水平。
如上所述，本发明根据公式(2)或公式(3)依据从光棒端部到特定棱镜的距离来获得倾角。在这种情况下，如图10所示，存在有倾角急剧地改变的棱镜位置(图10的X部分)。这时，如图11所示，优选的是提供调节区域Y，其中交替地形成使用由公式(2)计算出的倾角与由公式(3)计算出的倾角的棱镜。提供这种调节区域Y使得改进光在整个光棒上的均匀化成为可能。
这种调节区域Y优选具有从光棒端部到特定棱镜有5mm到15mm的距离X。例如，如图2所示，当中心的棱镜编号为85时，从大约编号为15的棱镜到大约编号为40的棱镜来提供调节区域Y。
本发明并不受以上所述的实施例所限制，还可以由多种变化后的方法实现。例如，不特别限制以上所述实施例使用的棱镜顶角和倾角、棱镜的间距、棱镜的深度或棱镜数目的数值，本发明可以适当地改变以实现。而且，角度可以在设置值±几度的可允许范围内确定。
上述实施例的公式可应用于具有大约60mm长度的光棒(用于PDA)，以及其它的运用。考虑到两种光学路径就必须独立地使用不同的公式。然而本发明同样可应用于不同于60mm的任何长度的光棒。
以上所述的实施例阐述了本发明应用于前灯的情况，同时，本发明也可应用于后灯。
如上所述，形成在光棒的反射棱镜面上的多个棱镜具有考虑到从光发生装置发出的直接光和在光发射面上反射的光的光学路径的剖面形状。这就不仅允许了从光发生装置发出的直接光以及从光发生装置发出的在光发射面上反射的光以基本上垂直于光导面的方向发射到光导，因此可以有效地从光棒发射光到光导。

Claims (14)

1.一种辅助光源包括：
具有多个棱镜的反射棱镜面和具有相对于所述反射棱镜面的光发射面的延长的光棒，其中入射光在其内部传输，所传输的光在所述反射棱镜面上反射，然后被反射的光从所述光发射面发射；和
光发生装置，其设置在所述光棒两侧用于产生发射到所述光棒的光；
其中所述多个棱镜具有考虑了从所述光发生装置发出的直接光中的路径以及在所述光发射面上反射的光中的路径的剖面形状。
2.如权利要求1所述的辅助光源，其中所述的剖面形状是具有一个顶角和两个倾角的大致三角形形状，其中每个棱镜中顶角是不变的，其中每个棱镜中倾角都彼此不相同。
3.如权利要求1或2所述的辅助光源，其中在所述光棒中心中的棱镜具有大致等腰三角形的形状。
4.如权利要求1-3中任一项所述的辅助光源，其中所述顶角(T°)是由以下公式(1)计算得来的：
T＝180-2×(45-1/2×tan-1(3W/L))    公式(1)
其中L代表所述光棒的长度，W代表所述光棒的宽度。
5.如权利要求1-4任一项所述的辅助光源，其中较小的倾角(a(X)°)是由以下公式(2)计算得来的：
a(X)＝45-1/2×tan-1(W/2X)    公式(2)
其中W代表所述光棒的宽度，X代表从所述光棒端部到棱镜的距离。
6.如权利要求1-4任一项所述的辅助光源，其中更接近所述光棒端部的倾角(a(X)°)是由以下公式(3)计算得来的：
a(X)＝45-1/2×tan-1(3W/2X)     公式(3)
其中W代表所述光棒的宽度，X代表从所述光棒端部到棱镜的距离。
7.如权利要求5或6所述的辅助光源，其中更接近所述光棒端部的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(2)计算得来的，在所述光棒中心中的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(3)计算得来的。
8.如权利要求5或6所述的辅助光源，其中易受来自所述光发生装置的所述直接光影响的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(2)计算得来的，易受在光发射面反射的光影响的棱镜的倾角(a(X)°)是由公式(3)计算得来的。
9.如权利要求5-8任一项所述的辅助光源，其中在X＜2mm的区域中棱镜的倾角(a(X)°)是不变的。
10.如权利要求1-9任一项所述的辅助光源，其中多个棱镜的深度(Dμm)是由下列公式(4)至公式(6)计算得来的：
(N＝1 to 17)
D(N)＝24.3              公式(4)
(N＝18 to 28)
D(N)＝1.5×N-1.2        公式(5)
(N＝29 to 85)(光棒中心)
D(N)＝0.6×N+24         公式(6)
其中N代表从所述光棒端部的棱镜的数目。
11.如权利要求1-10任一项所述的辅助光源，其中反射金属膜形成在所述反射棱镜面上。
12.如权利要求1-11任一项所述的辅助光源，其中所述光棒具有调节区域Y，其中使用由公式(2)计算得来的倾角的棱镜与使用由公式(3)计算得来的倾角的棱镜交替形成作为表面光源的光。
13.一种前灯，包括权利要求1-12任一项所述的辅助光源；以及用于发射从所述辅助光源发出的光作为表面光源的光的光导板。
14.一种液晶显示装置，包括：具有反射部件的液晶单元；以及用于提供光到所述液晶单元的依据权利要求13的前灯。
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