Light-Guideing导光柱设计指南

1、Light Guide Tech niq ues导光技术Using LED Lamps 使用 LED 光源Application Brief 1-003Snell 定律：ni*sin （）i = nf* sin 0INCIDENCE MEDIUM图1Snell定律规定：第一种介质的折射率 ni乘以入射角0的 正弦值，等于第二种介质的折射率 nf乘以 折射角0的正弦值。镜面反射定律：镜面反射定律是这样定 义的，光线的入射角与反射角相等，如 图2所示，镜面反射光线是没有损耗的。对于光线从塑料射入空气和从玻璃射入空导光柱是什么？导光柱就是将光以最小的损耗从 一个光源传输到距离该光源一定 距离的另一个

2、点的装置。光线是依靠全内反射在导光柱内 部传输的。导光柱通常是采用光学材料制成，如：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、 环氧树脂和玻璃。导光柱可以用来将 PCB上LED的 光传输到产品面板上来显示相关 的状态，也可以聚集和指引光线 用做LCD显示屏的背光，同时也 可以用来照亮在透过式窗口上的 图案。这篇文章论述了简单的导光柱的 设计方法以适应这样或那样的应 用。基本原理Fresnel Loss菲涅耳损耗：当光线通过交界面从一种介质进入另一种介质时，光 线会因为在交界面上产生反射而产生损耗，如图2所示。这种损耗称作菲涅耳损耗, 可以用下面的公式进行计算：-I2nj - nfni + nf气这两种情况下菲涅耳

3、损耗都是4%. . ”、 .50 - L .00 ”亦Fresnd Loss = 100 rrz=4% 1.50 + 1.00= =当光线从折射率低的介质进入折射率高的 介质时，折射角0会小于入射角0，相反, 折射角0会大于入射角 0，如图3所示光线 穿过一个表面平行的塑料（玻璃）板。SPECULARSnell定律：当光线入射到两种不 同的介质的交界面时，例如塑料 和空气，光线会在通过这个交界 面时产生折射，如图1所示。光线 射入这个交界面的角度叫做入射 角0i，光线离开交界面的角度叫 折射角0f完全内反射：当折射角等于90时，入射光将会OF INCIDENT RAYPARALLEL TO I

4、NCIDENT RAYnfLIGHT RAY REFRACTEDALONG BOUNDARYTO7ALIKTERWJJ.YREFLECTED LIGFT FtAYEXIT LIGHT RATINCID6NT LIGHT fiJgQc - CRITICAL ANGLEOi 4fc FOR TOTAL INTERNAL REFLECT ION图4折射并沿着两种介质的交界面传播，如图4所示。这时sin $ f （90） = 1.0，因此Snell定律就简化成 ni*sin $ i = nf.这个公式可以用来计算产生完全 内反射的临界入射角$c:Ofsin % =ni空气的折射率为1.0，所以上式中的

5、nf = 1.0，因 此只要知道导光柱所采用的介质的折射率就能 够迅速计算岀这种介质内产生完全内反射的临界入射角.对于绝大多数的塑料和玻璃，它们的折射率约为1.50，因此，对于采用这两种材质制成的导光柱 的完全内反射临界角约为 42sin= = 0.667L50导光柱内部与外界空气的交界面上产生的镜面 反射可以用来帮助在导光柱内传输光线。当光线在导光柱内与导光柱表面的入射角达到 或大于42时，将会在导光柱内部完全反射。临界角小于45的材料都非常适合用来制作导光 柱，因为用这种材料可以制作成45角反射面的导光柱。光线跟踪法：光线跟踪法可以用来分析和跟踪光 线进入、穿过和射岀一个导光柱的路径。Sn

6、ell定律、菲涅耳损耗和镜面反射定律可以应用在所 有导光柱表面的光线传播方向的分析上。导光柱设计在进行导光柱设计时首先需要考虑3个问题：1）有效的光通量耦合，以保 证LED灯发射岀的光线以 最小的损耗进入导光柱内 部2）如何将光线通过导光柱传 输到输出端3）如何让光线以最小的损耗 从输岀端射岀将LED光线耦合进导光柱内：在保证LED射出的光线有效的被传输和 利用之前，必须首先保证它被有效的耦 合进导光柱的进入端，光线应当以最小 的损耗被导光柱所捕获。通常情况下，如果LED在导光柱的外部， 并且与导光柱之间有空气间隙时光线的 耦合和捕获效率是较低的，相反，如果 LED处于导光柱表面空气的交界面内

7、部 时，效率是最高的。当LED在导光柱外部时，如图5所示，在 这种情况下只有在LED指示灯的光这篇文章中应用光线追踪法来举例说明如何进行导光柱的设计。线辐射角与导光柱的光线接收角相匹配的情 况下耦合效率才会较高。因此很难做到高效的 光耦合，绝大部分LED产生的光都会损失掉。在这样的结构设计下只有小于10%的光通量能被耦合进导光柱内。在这种情况下如果采用一个凸透镜将LED输出的光线进行聚焦后耦合到导光柱内，如图6所示，并且聚焦后的光线刚好与导光柱输入端相 匹配的话，光线捕获率可以达到80%。但是这样的设计需要能够精确控制透镜与LED和导光柱之间的距离以保证正确的焦距，无疑会增加产品的成本。图5F

8、LUX FOCUSING LENS UPTO 90% FLUXCAPTURE图6Do图7a LED定位在导光柱内部以获得最高的光线捕获率LED EMITTER EPOXIED INTO图7b导光柱最佳最有效的设计就是将LED固定到导光柱的内部，如图7a所示。在这种结构中LED是植入导光柱内部的， LED发岀的所有光线全部会被导光柱所 捕获，考虑到LED与导光柱之间存在空 气间隙而产生的菲涅耳损耗，光线捕获 率可以达到92%。这种设计推荐应用在 圆顶封装的LED如T-13/4、T-1和微型 LED 上。如果将LED用光学环氧胶粘合到导光 柱内部，如图7b所示，LED与导光柱之 间将没有空气间隙因

9、此也就没有菲涅 耳损耗，光线捕获率将会达到 100%。 在绝大部分导光柱的应用中，这种方 法既是不实际的也是不必要的。本篇文章中所有推荐的导光柱设计都 是以假设LED与导光柱之间存在空气 间隙为前提的。导光柱的物理特质：导光柱外表面的光滑是导光柱正常工 作的重要保证，如图8所示。导光柱平行于光线传播方向的侧壁应 当非常光滑，像镜子一样，这样光线 才能够在其表面产生完全内反射。导光柱的侧壁可以涂上白色反光涂料 以反射角度小于临界角的光线，否则 这些光线将会从导光柱侧壁逃逸到空 气中造成损耗。导光柱的入口应当光 滑并与LED外形匹配以保证高效的捕 获LED勺光线，保证光线以最小的反射 和散射进入导

10、光柱内部。导光柱的岀口应当是散射的，一个散射 的岀口端在其表面具遍布随机的临界角 以保证光线可以从导光柱内部逃逸岀 来,同时将光线以极宽的角度散射岀去， 这样不论从哪个角度看过去导光柱的出 口端都是亮的。导光柱可以制作成任何形状，圆柱形、 方形、锥形（尺寸从入口到岀口逐渐增 加）或任何特殊形状（箭头、星型、半 月形等等）SMOOTH FLAT QR CONCAVECONTOURED SURFACE TO MATCH LED LAMPLIGHTGUIDEOPTIONAL WHITt LIGHT REFLECTING PAINT ON EXTERIOR SURFACEDIFFUSED EXIT S

11、URFACESMOOTH .MIRROR) EXTERIOR SURFACEROUNDED CORNERS0 5mm0Q20INj MINIMUM RADIUS对于矩形和特殊形状的导光柱，其拐角 必须是圆角，半径不小于 0.5mm，不能 有尖角，以保证拐角处的照明。导光柱的形状应当沿着其长度逐渐变化，例如从入口处与 LED相匹配的圆形 到岀口处的正方形应当如图 8所示逐渐 变化。适应不同种类LED的导光柱入口： 导光柱的入口应当光滑并且平坦或者内 凹并匹配LED的外形以保证高效的耦合 和捕获光线。图10光滑内凹输入端的导光柱将提高光线捕获能力PC BOARD图9贴片LED导光柱图8导光柱的基本

12、特征， 图中是一个从圆形输入端渐变到方形输出端的导光柱-*ClKfcLEAD SMT62H-72% FLUX CAPTURE对于贴片LED其发光区域是平坦的表 面，导光柱的输入端应当做成光滑的与 LED表面平行的平面，导光柱输入端贴近LED以提高光通量耦合效率，如图9所示。导光柱的输入端需要比LED的发光面略大以保证捕获92%的光线。贴片LED的封装一般是立方体，光线是 发散的，既从顶部射岀也从侧面射岀。 只有40%的光是从LED顶部射岀的，另 外60%的光是从LED侧面射岀的。因此, 对于这种输入端是平面的导光柱来说只 有40%的光可以被导光柱捕获，其余的 光通量就损失掉了。效提高光通量的捕

13、获率，如图10所示。 大约70%-80%的光量可以被导光柱捕 获，光量的损失减小到 20%至30%。这种内凹的设计可以应用于任何导光 柱与LED的组合以提高光通的耦合率 和光线捕获能力。在图11中，这种下沉式贴片LED是设计 用来将光照射至PC阪的反面的。这种LEE定位在PCBk的孔中央，相比于表 面贴片LED,内凹的导光柱可以捕获更 多的光量。一个具有光滑内凹输入端的导光柱将有LIGHTGUIDEI r- ut fit nineT-1 Ni LED LAMPMINIMUM INSERTIONFOR TJ 3/4 LAMP TOLED REFLECTOR CUPT-1 3/4, T-1 LED

14、 LAMPRECOMMENDED INSERTION OF LAMP TO FLANGE AT BASE OF LAMP PACKAGE&2% FLUX CAPTURE图12 T-1 3/4 LED插入导光柱输入端以获得更高的光通量耦合 对于T-1 3/4的彩色扩散LED , LED插入 大，以保证92%的光能够被捕获。导光柱输入端的最小深度应当保证LEDSMOOTH. FLATSURFACE ENTRANCE END图13条形LED光源的导光柱反光杯以上的部分全部插入导光柱的输 入端内，以保证光通量的耦合效率，如 图12所示。这样可以保证 92%的耦合效 率。如果想获得最佳的耦合效率，推荐

15、将整个LED从底面以上全部插入导光柱 内部。对于T-1 3/4 LED，导光柱输入端孔径应 当在5.33mm至5.59mm，孔的末端应当是 光滑的球型穹面。最小孔深 5.33mm以保 证LED的最小插入深度，最小孔深 8.31mm以保证LED完全插入导光柱内。对于T-1 LED，孔径应当在 3.30mm至3.43mm。这种LED必须完全插入导光柱 内才能获得较高的光通量耦合，导光柱 最小孔深2.165mm。对于长条形的LED也可以作为导光柱的 光源，这种LED具有较大面积的平面发 光区域。因此，为保证最佳的耦合效率， 导光柱的输入端也应当是光滑的平面， 并且靠近和覆盖光源的整个发光表面， 如图13所示。导光柱的散射输出端：散射的输出端 能够使导光柱内的光线以随机的角度 入射到导光柱与空气的交界面上，以 保证光线在这个面上能够较容易的逃 脱出去。从这个表面逃逸的光线以随机的角度 射出从而形成一个宽角度的照射范 围，如图14所示。导光柱的输入端面积应当比光源面积略LED LAMPDIFFUSED EXIT SURFACE ENHANCES