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(xiàn)是依靠全內(nèi)反射在導(dǎo)光柱內(nèi)部傳輸?shù)?。?dǎo)光柱通常是采用光學(xué)材料制成，如：丙烯酸樹(shù)脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃。導(dǎo)光柱可以用來(lái)將PCBh LED的光傳輸?shù)疆a(chǎn)品面板上來(lái)顯示相關(guān)的狀態(tài)，也可以聚集和指引光線(xiàn)用做LCD!示屏的背光，同時(shí)也可以用來(lái)照亮在透過(guò)式窗口上的圖案。1選定適宜的導(dǎo)光柱材料原那么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，如選用此材料，要留意出模角

2、度和頂出位置。目前我公司使用的導(dǎo)光柱大局部為性能較好的PMMA材料。表一各種材料的性能比照塑料名稱(chēng)透光率%折射率成型特性ABS透明891.52易成型AS ( SAN90:1.56易粘模，脆性PC901.51易成型PMMA931.49易成型2、導(dǎo)光柱的工作原理及相關(guān)理論2.1、光線(xiàn)的反射和折射、光的折射定律菲涅耳定律光線(xiàn)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(xiàn)，光線(xiàn)也會(huì)在通過(guò)這個(gè) 交界面時(shí)產(chǎn)生折射，如下圖。其中入射光；折射光和法線(xiàn)位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線(xiàn)的夾角i,光線(xiàn)離開(kāi)交界面的角度叫折射角 B滿(mǎn)足如下關(guān)系。光線(xiàn)射入這個(gè)交界面的角度叫做入射角 B斯涅爾定律：nisi

3、n 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0 f分別是入射角和折射角。入射介質(zhì)入射光線(xiàn)-A l介質(zhì)邊界折射介質(zhì)0 nf乘以*折射光線(xiàn)斯涅爾定律規(guī)定：第一種介質(zhì)的折射率ni乘以入射角B 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。、光的反射定律光線(xiàn)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,如下圖。入 射光線(xiàn)'0r. ?'反射光線(xiàn)ninf/入射介質(zhì) 介質(zhì)邊界反射介質(zhì)密度0,比入射介質(zhì)大I折射光線(xiàn)、菲涅耳損耗當(dāng)光線(xiàn)通過(guò)交界面從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，光線(xiàn)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(chēng)作菲

4、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!>I Wi 4" «I?曲賦彳申戶(hù)血菲涅爾損失乍尋申i 次菲涅爾損失工二4>能i'1PMMA 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反之，當(dāng)光從玻璃或透明塑料當(dāng)光線(xiàn)從折射率低的介質(zhì)進(jìn)入折射率高的介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角0 i，如下圖光線(xiàn)穿過(guò)一個(gè)外表平行的塑料玻璃2.2、全反射當(dāng)光線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，部份的光線(xiàn)會(huì)于介質(zhì)的界面被折射，其余的那么被反射。但 角大時(shí)光線(xiàn)遠(yuǎn)離法線(xiàn)，光線(xiàn)會(huì)停止進(jìn)入另

5、一介質(zhì)，會(huì)全部向內(nèi)面反射2=4%0板。是，當(dāng)入射角比臨界見(jiàn)下pmmAPCAs進(jìn)入空氣時(shí)，同樣損失4%i，相反，折射角0 f會(huì)PZf會(huì)小于韻面反0射外表光 it/ 険面戾射T申訓(xùn) 歳面光潸入射踐的射 =ii出射線(xiàn)偏移和平行于入射光樓If豐£砥別n£m旳匚=1缶界箱 中1 丫中u射出光譏 ? iJ$申u全內(nèi)皮射光盪沿著邊界折駙總內(nèi)制反射的北線(xiàn)O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(xiàn)從玻璃進(jìn)入空氣時(shí)會(huì)發(fā)生;2、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)鞑ィ缦聢D。這時(shí) sin $ f 90內(nèi)反射的臨界入射角0c：入

6、射光絨=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(lái)計(jì)算產(chǎn)生完全Sin 0 c=nf/ni1.0,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空氣的折射率為 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(lái)幫助在導(dǎo)光柱內(nèi)傳輸光線(xiàn)。當(dāng)光線(xiàn)在導(dǎo)光柱內(nèi)與導(dǎo)光柱外表的入射角到達(dá)或大于42 °時(shí)，將會(huì)在導(dǎo)光柱內(nèi)部完

7、全反射。臨界角小于45。的材料都非常適合用來(lái)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(xiàn)跟蹤法：光線(xiàn)跟蹤法可以用來(lái)分析和跟蹤光線(xiàn)進(jìn)入、穿過(guò)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)光柱外表的光線(xiàn)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(wèn)題：1、有效的光通量耦合，以保證 LED 丁發(fā)射出的光線(xiàn)以最小的損耗進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部；2、如何將光線(xiàn)通過(guò)導(dǎo)光柱傳輸?shù)捷敵龆耍?、如何讓光線(xiàn)以最小的損耗從輸出端射出；3.1、將LEE光線(xiàn)耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)光線(xiàn)應(yīng)當(dāng)以最在保證LED射出的光線(xiàn)有效的被傳輸和利用之前，必須首先保證它被有效的耦合進(jìn)導(dǎo)

8、光柱的進(jìn)入端,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(xiàn)的耦合和捕獲效率是較低的，相反，如果LED處于導(dǎo)光柱外表空氣的交界面內(nèi)部時(shí)，效率是最高的。LED旨示燈的光線(xiàn)輻射角與導(dǎo)光柱的光線(xiàn)接當(dāng)LED在導(dǎo)光柱外部時(shí)，如下圖，在這種情況下只有在LED產(chǎn)生的光都會(huì)損失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，絕大局部在這種情況下如果采用一個(gè)凸透鏡將LED輸出的光線(xiàn)進(jìn)行聚焦后耦合到導(dǎo)光柱內(nèi)，如下圖，并且聚焦后的光線(xiàn)剛好與導(dǎo)光柱輸入端相匹配的話(huà)，光線(xiàn)捕獲率可以到達(dá)80%但是這樣的設(shè)計(jì)需要能夠精確Do不必要的3.2、導(dǎo)光柱的物理特質(zhì):導(dǎo)光

9、柱外外表的光滑是導(dǎo)光柱正常工作的重要保證，如下圖。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(xiàn)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(xiàn)才能夠在其外表產(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(xiàn)，否那么這些光線(xiàn)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)光滑并與光線(xiàn)以最小的反射和散射進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部。1血蒯流星捕獲形匹配以保證高效的捕獲LED勺光線(xiàn)，保證控制透鏡與LED和導(dǎo)光柱之間的距離以保證正確的焦距，無(wú)疑會(huì)增加產(chǎn)品的本錢(qián)導(dǎo)光柱最正確最有效的設(shè)計(jì)就是將LED固定到導(dǎo)光柱的內(nèi)部，如下圖。在這種結(jié)構(gòu)中LED是植入導(dǎo)光柱內(nèi)部的，LED發(fā)

10、出的所有光線(xiàn)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(xiàn)捕獲率可以到達(dá)如果將LED用光學(xué)環(huán)氧膠粘合到導(dǎo)光柱內(nèi)部，如下圖，LED與導(dǎo)光柱之間將沒(méi)有空氣間隙因此也就沒(méi)有菲涅耳損耗，光線(xiàn)捕獲率將會(huì)到達(dá)100%在絕大局部導(dǎo)光柱的應(yīng)用中，這種方法既是不實(shí)際的也是光柱內(nèi)部逃逸出來(lái)，導(dǎo)光柱的出口應(yīng)當(dāng)是散射的，一個(gè)散射的出口端在其外表具遍布隨機(jī)的臨界角以保證光線(xiàn)可以從導(dǎo)同時(shí)將光線(xiàn)以極寬的角度散射出去，這樣不管從哪個(gè)角度看過(guò)去導(dǎo)光柱的出口端都是亮的箭頭、星型、半月導(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對(duì)于矩形和特殊形狀的導(dǎo)光柱，其

11、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(lèi)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(xiàn)。對(duì)于貼片LED其發(fā)光區(qū)域是平坦的外表，導(dǎo)光柱的輸入端應(yīng)當(dāng)做成光滑的與 光柱輸入端貼近LED以提高光通量耦合效率，如下圖。導(dǎo)光柱的輸入端需要比led外表平行的平面，導(dǎo)LED勺發(fā)光面略大以保證捕獲92%勺光線(xiàn)12除占片i r*rcBte貼片LED勺封裝一般是立方體，光線(xiàn)是發(fā)散的，既從頂部射出也從側(cè)面射出。只有部射出的，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(lái)說(shuō)只有40%勺光是從LED頂40%勺光可以被導(dǎo)光柱捕獲，其余的光通量就損失掉了，個(gè)具有光滑內(nèi)凹輸入端的導(dǎo)光柱將有效提高光通量的捕獲率如圖所小、77777777777777777777777)rate昭捕捉這種內(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)在這個(gè)面上能夠較容易的逃脫出去。從這個(gè)外表逃逸的光線(xiàn)以隨機(jī)的角度射出從而形成一個(gè)寬角度的照