導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)指南

1、導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)指南 1何為導(dǎo)光柱 導(dǎo)光柱就是將光以最小的損耗從一個(gè)光源傳輸?shù)骄嚯x該光源一定距離的另一個(gè)點(diǎn)的裝置。 光線是依靠全內(nèi)反射在導(dǎo)光柱內(nèi)部傳輸?shù)摹?導(dǎo)光柱通常是采用光學(xué)材料制成，如：丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂和玻璃。 導(dǎo)光柱可以用來將PCBh LED的光傳輸?shù)疆a(chǎn)品面板上來顯示相關(guān)的狀態(tài)，也可以聚集和指引光線用做 LCD!示屏的背光，同時(shí)也可以用來照亮在透過式窗口上的圖案。 (1)選定合適的導(dǎo)光柱材料 原則上盡量選用透光率高的材料，從下表1可以看出：透明ABS AS、PC勺透光率相當(dāng)，對(duì)遙控距離和角 度的影響相差不大，實(shí)驗(yàn) A的結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。在注塑特性上,AS易粘模，脆性大，如選用

2、此材料, 要留意出模角度和頂出位置。目前我公司使用的導(dǎo)光柱大部分為性能較好的PMMA材料。 表一 各種材料的性能對(duì)比 塑料名稱 透光率(% 折射率 成型特性 ABS(透 明) 89 1.52 易成型 AS ( SAN 90: 1.56 易粘模，脆性 PC 90 1.51 易成型 PMMA 93 1.49 易成型 2、導(dǎo)光柱的工作原理及相關(guān)理論 2.1、光線的反射和折射 2.1.1、 光的折射定律(菲涅耳定律) 光線入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。必然會(huì)產(chǎn)生一束反射光線，光線也會(huì)在通過這個(gè) 交界面時(shí)產(chǎn)生折射，如圖所示。其中入射光；折射光和法線位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線的夾角 滿足如

3、下關(guān)系。光線射入這個(gè)交界面的角度叫做入射角Bi，光線離開交界面的角度叫折射角B 斯涅爾定律： nisin 0 i= nfsin 0 f 其中： ni和nf分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率; 0 i和B f分別是入射角和折射角。 入射光線 0 入射介質(zhì) ni nf 折射介質(zhì) 0 - * v 介質(zhì)邊界 折射光線 nf乘以 斯涅爾定律規(guī)定：第一種介質(zhì)的折射率ni乘以入射角0 i的正弦值，等于第二種介質(zhì)的折射率 折射角0 f的正弦值。 2.1.2、光的反射定律 光線的入射角0 i與反射角0湘等，折射角0 f小于入射角0 i,如圖所示。 入射光線、0-. 0r. /反射光線 ni nf /入射介質(zhì) -介質(zhì)邊界 反

4、射介質(zhì)密度 0上比入射介質(zhì)大 I折射光線 2.1.3、菲涅耳損耗 當(dāng)光線通過交界面從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，光線會(huì)因?yàn)樵诮唤缑嫔袭a(chǎn)生反射而產(chǎn)生損耗，如 圖所示。這種損耗稱作菲涅耳損耗，可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算: 菲涅耳損耗=100X (ni-nf ) / (ni+nf ) 2 入射線的肘 no /嶺面反射 表面逬港 + if =4fJ刊北菲涅爾損失工 4 能 i =）i岀射線偏移和平行于入肘光樓 PMMA PC; AS）時(shí)： 當(dāng)光從空氣進(jìn)入玻璃或透明塑料（ 菲涅耳損耗=100X （1.50-1.00 ） / （1.50+1.00 ） 2=4% 反之，當(dāng)光從玻璃或透明塑料（ 當(dāng)光線從折射率低的

5、介質(zhì)進(jìn)入折射率高的介質(zhì)時(shí)，折射角0 PMMAPC AS進(jìn)入空氣時(shí)，同樣損失4%。 f會(huì)小于入射角0i，相反，折射角0 f會(huì) 大于入射角0 i，如圖所示光線穿過一個(gè)表面平行的塑料（玻璃）板。 2.2、全反射 當(dāng)光線經(jīng)過兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，部份的光線會(huì)于介質(zhì)的界面被折射，其余的則被反射。但是， 當(dāng)入射角比臨界角大時(shí)（光線遠(yuǎn)離法線），光線會(huì)停止進(jìn)入另一介質(zhì)，會(huì)全部向內(nèi)面反射（見下圖）。 發(fā)生全反射的條件： （1）、光從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)；例如當(dāng)光線從玻璃進(jìn)入空氣時(shí)會(huì)發(fā)生; 、入射角大于臨界角。 當(dāng)折射角等于90時(shí)，入射光將會(huì)折射并沿著兩種介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?，如圖所示。 入附光錢 這時(shí)

6、sin 0 f（90 ） =1.0，因此斯涅爾定律就簡(jiǎn)化成ni* sin 0 i= nf。這個(gè)公式可以用來計(jì)算產(chǎn)生完全 內(nèi)反射的臨界入射角0 c： Sin 0 c=nf/ni 空氣的折射率為1.0，所以上式中的nf=1.0，因此只要知道導(dǎo)光柱所采用的介質(zhì)的折射率就能夠迅速 計(jì)算出這種介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生完全內(nèi)反射的臨界入射角。 對(duì)于絕大多數(shù)的塑料和玻璃，它們的折射率約為1.50，因此，對(duì)于采用這兩種材質(zhì)制成的導(dǎo)光柱的 完全內(nèi)反射臨界角約為42 Sin 0 c=1.0/1.50=0.667 導(dǎo)光柱內(nèi)部與外界空氣的交界面上產(chǎn)生的鏡面反射可以用來幫助在導(dǎo)光柱內(nèi)傳輸光線。 當(dāng)光線在導(dǎo)光柱內(nèi)與導(dǎo)光柱表面的入射角達(dá)

7、到或大于42時(shí)，將會(huì)在導(dǎo)光柱內(nèi)部完全反射。 臨界角小于45的材料都非常適合用來制作導(dǎo)光柱，因?yàn)橛眠@種材料可以制作成45角反射面的導(dǎo) 光柱。 光線跟蹤法：光線跟蹤法可以用來分析和跟蹤光線進(jìn)入、穿過和射出一個(gè)導(dǎo)光柱的路徑。斯涅爾定 律、菲涅耳損耗和鏡面反射定律可以應(yīng)用在所有導(dǎo)光柱表面的光線傳播方向的分析上。 3、導(dǎo)光柱設(shè)計(jì) 在進(jìn)行導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮3個(gè)問題： 1）、有效的光通量耦合，以保證LED丁發(fā)射出的光線以最小的損耗進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部; 2）、如何將光線通過導(dǎo)光柱傳輸?shù)捷敵龆耍?3）、如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出； 3.1、將LEE光線耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi) 在保證LED射出的光線有效的被傳輸

8、和利用之前，必須首先保證它被有效的耦合進(jìn)導(dǎo)光柱的進(jìn)入端， 光線應(yīng)當(dāng)以最小的損耗被導(dǎo)光柱所捕獲。 通常情況下，如果LED在導(dǎo)光柱的外部，并且與導(dǎo)光柱之間有空氣間隙時(shí)光線的耦合和捕獲效率是較 低的，相反，如果LED處于導(dǎo)光柱表面空氣的交界面內(nèi)部時(shí)，效率是最高的。 當(dāng)LED在導(dǎo)光柱外部時(shí)，如圖所示，在這種情況下只有在LED旨示燈的光線輻射角與導(dǎo)光柱的光線接 收角相匹配的情況下耦合效率才會(huì)較高。因此很難做到高效的光耦合，絕大部分LED產(chǎn)生的光都會(huì)損失掉。 在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下只有小于 10%勺光通量能被耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)。 在這種情況下如果采用一個(gè)凸透鏡將LED輸出的光線進(jìn)行聚焦后耦合到導(dǎo)光柱內(nèi)，如圖所示，

9、并且 聚焦后的光線剛好與導(dǎo)光柱輸入端相匹配的話，光線捕獲率可以達(dá)到80%但是這樣的設(shè)計(jì)需要能夠精確 控制透鏡與LED和導(dǎo)光柱之間的距離以保證正確的焦距，無疑會(huì)增加產(chǎn)品的成本。 導(dǎo)光柱最佳最有效的設(shè)計(jì)就是將 LED固定到導(dǎo)光柱的內(nèi)部，如圖所示。在這種結(jié)構(gòu)中LED是植入導(dǎo)光 柱內(nèi)部的，LED發(fā)出的所有光線全部會(huì)被導(dǎo)光柱所捕獲，考慮到LED與導(dǎo)光柱之間存在空氣間隙而產(chǎn)生的 菲涅耳損耗，光線捕獲率可以達(dá)到92% 如果將LED用光學(xué)環(huán)氧膠粘合到導(dǎo)光柱內(nèi)部，如圖所示，LED與導(dǎo)光柱之間將沒有空氣間隙因此也就 沒有菲涅耳損耗，光線捕獲率將會(huì)達(dá)到100%在絕大部分導(dǎo)光柱的應(yīng)用中，這種方法既是不實(shí)際的也是 不必

10、要的。 發(fā)光頑直播到辱光柱占消 除吒晾二沒有菲涅耳損失導(dǎo)光柱 LED1I L 3.2、導(dǎo)光柱的物理特質(zhì)： 導(dǎo)光柱外表面的光滑是導(dǎo)光柱正常工作的重要保證，如圖所示。圖中是一個(gè)從圓形輸入端漸變到方 形輸出端的導(dǎo)光柱。 導(dǎo)光柱平行于光線傳播方向的側(cè)壁應(yīng)當(dāng)非常光滑，像鏡子一樣，這樣光線才能夠在其表面產(chǎn)生完全 內(nèi)反射。 導(dǎo)光柱的側(cè)壁可以涂上白色反光涂料以反射角度小于臨界角的光線，否則這些光線將會(huì)從導(dǎo)光柱側(cè) 壁逃逸到空氣中造成損耗。導(dǎo)光柱的入口應(yīng)當(dāng)光滑并與LED外形匹配以保證高效的捕獲 LED勺光線，保證 光線以最小的反射和散射進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部。 導(dǎo)光柱的出口應(yīng)當(dāng)是散射的，一個(gè)散射的出口端在其表面具遍布隨機(jī)

11、的臨界角以保證光線可以從導(dǎo) 光柱內(nèi)部逃逸出來，同時(shí)將光線以極寬的角度散射出去，這樣不論從哪個(gè)角度看過去導(dǎo)光柱的出口端都 是亮的。 導(dǎo)光柱可以制作成任何形狀，圓柱形、方形、錐形（尺寸從入口到出口逐漸增加）或任何特殊形狀 （箭頭、星型、半月形等等） 對(duì)于矩形和特殊形狀的導(dǎo)光柱，其拐角必須是圓角，半徑不小于0.5mm,不能有尖角，以保證拐角處 的照明。 導(dǎo)光柱的形狀應(yīng)當(dāng)沿著其長(zhǎng)度逐漸變化，例如從入口處與LED相匹配的圓形到出口處的正方形應(yīng)當(dāng)如 圖所示逐漸變化。 3.3、適應(yīng)不同種類LED勺導(dǎo)光柱入口： 導(dǎo)光柱的入口應(yīng)當(dāng)光滑并且平坦或者內(nèi)凹并匹配LED勺外形以保證高效的耦合和捕獲光線。 對(duì)于貼片LED

12、其發(fā)光區(qū)域是平坦的表面，導(dǎo)光柱的輸入端應(yīng)當(dāng)做成光滑的與LED表面平行的平面，導(dǎo) 光柱輸入端貼近LED以提高光通量耦合效率，如圖所示。導(dǎo)光柱的輸入端需要比LED勺發(fā)光面略大以保證 捕獲92%勺光線。 11 1 1 J 1 1- 1 lmmltJL-L *光滑、平整 表面入口諭 貼片LED勺封裝一般是立方體，光線是發(fā)散的，既從頂部射出也從側(cè)面射出。只有40%勺光是從LED頂 部射出的，另外60%勺光是從LED側(cè)面射出的。因此，對(duì)于這種輸入端是平面的導(dǎo)光柱來說只有40%勺光可 以被導(dǎo)光柱捕獲，其余的光通量就損失掉了。 大約70%-80%勺光量可以被導(dǎo)光柱捕獲，光量的損失減小到20%至 30% 這種內(nèi)凹的設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于任何導(dǎo)光柱與LED的組合以提高光通的耦合率和光線捕獲能力。 3.4、導(dǎo)光柱的散射輸出端： 散射的輸出端能夠使導(dǎo)光柱內(nèi)的光線以隨機(jī)的角度入射到導(dǎo)光柱與空氣的交界面上，以保證光線在 這個(gè)面上能夠較容易的逃脫出去。