导光柱设计指南#借鉴材料

1、导光柱设计指南1、导光柱是什么？导光柱是将光从损失最小的光源传送到离该光源一定距离的另一点的装置。光通过全反射在导光柱内部传输。导光柱通常是由丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂、玻璃等光学材料形成的。导光柱也可以用于将PCB上的LED光传输到产品面板，显示关联的状态，收集光作为LCD显示器的背光，或者照亮透射窗的图案。(1)选定适当的导光柱材料原则上选择光透射率尽可能高的材料，从下表1可以看出，透明ABS、AS、PC的光透射率相当，对遥控器距离和角度的影响不大，实验a的结果也验证了该结论。 在注射特性中，AS容易粘着模具，脆性大，选择该材料时，必须注意模具的角度和伸出位置。 现在我公司使用的导光柱

2、大部分是性能好的PMMA材料。表1各种材料的性能比较塑料的名字透光率(% )折射率成形特性ABS (透明)891.52容易成形PS (PS )901.56易粘合型、脆性电脑901.51容易成形PS931.49容易成形2、导光柱的工作原理和相关理论2.1、光线的反射和折射2.1.1、光的折射定律(菲涅耳定律)当光入射到不同介质的界面上时，会发生反射和折射。 必然产生反射光线，光线也在通过该界面时折射。 入射光折射光和法线在同一平面上，与界面法线所成的角度满足以下关系。 光入射到该界面的角度称为入射角i，光离开界面的角度称为折射角f。斯涅尔定律： nisini=nfsinf其中：ni和nf分别是两

3、种介质的折射率i和f分别是入射角和折射角。在斯涅尔定律中，通过将第一介质的折射率ni乘以入射角i所获得的正弦值等于通过将第二介质的折射率nf乘以折射角f所获得的正弦值。2.1.2、光的反射规律光线入射角i等于反射角r，折射角f小于入射角i。2.1.3、菲涅耳损失通过界面从一种媒体进入另一种媒体时，光会因界面上的反射而损失，如图所示。 此损失称为菲涅耳损失，可以用以下公式计算菲涅耳损失=100/Ninf从空气中提取玻璃或透明塑料(PMMA； 电脑； PS )的情况下：菲涅耳损失=100 (1.50-1.00 )/(1. 501.00 ) =4%相反，如果光从玻璃或透明塑料(PMMA、PC、AS

4、)进入空气，同样会产生4%的损失。如果光从折射率低的介质进入折射率高的介质，则折射角f小于入射角i，相反，折射角f大于入射角i，如图所示，光通过表面平行的塑料板。2.2、全反射当光通过两种折射率不同的介质时，有些光在介质的界面处折射，剩下的光被反射。 但是，如果入射角大于临界角(光线远离法线)，光线将停止进入另一介质，并全部向内反射(参见下图)。发生全反射的条件：(1)光从折射率大的介质入射到折射率小的介质，例如光从玻璃入射到空气时产生(2)、入射角大于临界角。如果折射角等于90，入射光会折射，并在两种介质的界面上传播，如图所示。因为此时sinf(90)=1.0，所以斯涅尔定律被简化为ni*s

5、ini=nf。 此公式可用于计算产生完全内部反射的临界入射角c新c=nf/ni因为空气的折射率是1.0，所以上式的nf=1.0，因此，只知道导光柱使用的介质的折射率，就能迅速计算在该介质内产生完全内部反射的临界入射角。大部分塑料和玻璃的折射率约为1.50，因此，对这两种材质制成的导光柱的完全内反射临界角约为42。Sinc=1.0/1.50=0.667在导光柱内部和外部空气的界面产生的镜面反射，能用来帮助光在导光柱内传递。当导光柱内光向导光柱表面的入射角达到42以上时，在导光柱内部完全反射。临界角小于45的材料适合形成导光柱。 因为这个材料能形成45度反射面的导光柱。光线追踪法：光线追踪法可以用

6、于分析和追踪光线进入、通过、射出导光柱的路径。 斯涅尔定律、菲涅耳损耗和镜面反射定律可以应用于所有导光柱表面光线传播方向的分析。3 .导光柱设计进行导光柱的设计，首先需要考虑三个问题1 )，有效的光束耦合，保证来自LED灯的光以最小损失进入导光柱内部2 )如何使光通过导光柱传递到输出端3 )如何使光以最小损失从输出端射出3.1、将LED光耦合在导光柱上在确保来自LED的光被有效地传递利用之前，必须确保在导光柱的进入端有效地耦合，光必须以最小限度的损失被导光柱捕获。通常，LED在导光柱的外部，与导光柱之间有空气间隙的情况下，光的结合和捕捉效率低，与此相对，LED在导光柱表面的空气界面内部的情况下

7、，效率最高。LED在导光柱之外的情况下，如图所示，仅在LED灯的光线放射角和导光柱的光线受光角一致的情况下，耦合效率提高。 因此，难以进行有效的光耦合，来自大部分LED的光丢失。这样的结构设计只能使不足10%的光束与导光柱耦合。在该情况下，若用凸透镜将来自LED的光聚光，在导光柱上结合，如图所示，若聚光的光与导光柱的输入端正好一致，则光的捕捉率将达到80%。 但是，这种设计需要正确控制透镜、LED和导光柱的距离，确保正确的焦距，一定会增加产品的成本。导光柱最有效的设计是，如图所示，将LED固定在导光柱内部。 在该构造中，LED被埋在导光柱的内部，LED发出的光全部被取入导光柱，考虑到因LED和

8、导光柱之间存在空气间隙引起的菲涅耳损失，光捕获率将达到92%。如果用光环氧将LED粘结在导光柱的内部，如图所示，由于LED和导光柱之间没有气隙，因此，没有菲涅耳损失，光线捕获率能达到100%。 在大部分导光柱的应用中，这种方法既不现实也不必要。3.2、导光柱的物理特性：导光柱外表面的光滑，如图所示，是导光柱正常工作的重要保证。 在图中，是从圆形输入端到方形输出端渐变的导光柱。与导光柱的光传播方向平行的侧壁非常平滑，必须像镜子一样，使光能在其表面完全内部反射。如果在导光柱的侧壁涂布白色光反射涂料，反射比临界角小的角度的光，光就会从导光柱的侧壁向空气中逃跑，损耗。 导光柱入口光滑，与LED外形一致

9、，要保证有效地捕捉LED的光，保证光通过最小反射和散射进入导光柱内部。导光柱的出口必须散乱。 散乱的出口端在其表面具有随机临界角，保证光从导光柱内部逃跑，同时，光以非常宽的角度散射，从哪个角度看，导光柱的出口端都明亮。导光柱可以是任何形状，也可以是圆柱形、方形、锥形(尺寸从入口向出口逐渐增加)，或任何特殊的形状(箭头、星形、半月型等)在矩形和特殊形状的导光柱，角带圆形，半径在0.5mm以上，角尖，不能保证在角的照明。导光柱的形状必须沿着其长度逐渐变化。 例如，从与入口的LED一致的圆形到出口的正方形，必须如图所示逐渐变化。3.3、对应不同种类LED的导光柱入口：导光柱的入口光滑平坦，或凹陷，与

10、LED的外形一致，要保证有效的耦合和光的捕获。补丁LED的发光区域为平坦表面，导光柱的输入端为与平滑LED表面平行的平面，导光柱的输入端接近LED，提高光束耦合效率。 导光柱的输入端需要比LED的发光面稍大，能可靠地捕捉92%的光。芯片LED的封装一般为立方体，光发散，从上部和侧面都射出。 只有40%的光从LED的上部发射，剩下的60%从LED的侧面发射。 因此，在这种输入端是平面的导光柱中，只被导光柱捕捉40%，剩馀的光束消失。具有平滑内凹输入端的导光柱，对图像提高光束的捕捉率有效。约70%-80%的光量被导光柱捕捉，光量损失减少到2030%。这种凹陷的设计，可以应用于任何导光柱和LED的组合，提高光的耦合率和光的捕捉能力。3.4、导光柱的散射输出端：散射的输出端，使导光柱内的光线以随机角度入射在导光柱和空气的界面，通过该面，光线能够容易地逃脱。从该表面逃跑的