1、導(dǎo)光柱設(shè)計指南1、何為導(dǎo)光柱導(dǎo)光柱就是將光以最小的損耗從一個光源傳輸?shù)骄嚯x該光源一定距離的另一個點的裝置。光線是依靠全內(nèi)反射在導(dǎo)光柱內(nèi)部傳輸?shù)摹?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PCB上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顯示屏的背光，同時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的透光率相當(dāng)，對遙控距離和角度的影響相差不大，實驗A 的結(jié)果也驗證了這一結(jié)論。在注塑特性上,AS易粘模，脆性大，如選用此材料，要留意

2、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 各種材料的性能對比塑料名稱透光率（%）折射率成型特性ABS(透明)891.52易成型AS（SAN）901.56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)的界面上會發(fā)生反射和折射。必然會產(chǎn)生一束反射光線，光線也會在通過這個交界面時產(chǎn)生折射，如圖所示。其中入射光；折射光和法線位于同一個平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系。光線射入這個交界面的角度叫做入射角i，光線離開交界面的角度叫折射角

3、f。斯涅爾定律：nisini= nfsinf其中：ni 和nf 分別是兩個介質(zhì)的折射率；i 和f 分別是入射角和折射角。斯涅爾定律規(guī)定:第一種介質(zhì)的折射率ni乘以入射角i的正弦值，等于第二種介質(zhì)的折射率nf乘以折射角f的正弦值。2.1.2、光的反射定律光線的入射角i與反射角r相等，折射角f小于入射角i，如圖所示。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，光線會因為在交界面上產(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)行計算：菲涅耳損耗=100×（ni-nf）/（ni+nf） ²當(dāng)光從空氣進(jìn)入玻璃或透明塑料（PMMA；PC；

4、AS）時：菲涅耳損耗=100×（1.50-1.00）/（1.50+1.00） ²=4%反之，當(dāng)光從玻璃或透明塑料（PMMA、PC、AS）進(jìn)入空氣時,同樣損失4。當(dāng)光線從折射率低的介質(zhì)進(jìn)入折射率高的介質(zhì)時，折射角f會小于入射角i，相反，折射角f會大于入射角i，如圖所示光線穿過一個表面平行的塑料（玻璃）板。2.2、全反射當(dāng)光線經(jīng)過兩個不同折射率的介質(zhì)時，部份的光線會于介質(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（光線遠(yuǎn)離法線），光線會停止進(jìn)入另一介質(zhì)，會全部向內(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

5、空氣時會發(fā)生；(2)、入射角大于臨界角。當(dāng)折射角等于90°時，入射光將會折射并沿著兩種介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑ィ鐖D所示。這時sinf(90°) =1.0，因此斯涅爾定律就簡化成ni*sini=nf。這個公式可以用來計算產(chǎn)生完全內(nèi)反射的臨界入射角c：Sinc=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°。Sinc=1.0/1.50=0.667導(dǎo)光柱內(nèi)部與

6、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)到或大于42°時，將會在導(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，因為用這種材料可以制作成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)計在進(jìn)行導(dǎo)光柱設(shè)計時首先需要考慮3個問題：1)、有效的光通量耦合，以保證LED燈發(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?/p>

7、出端；3)、如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出；3.1、將LED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，效率是最高的。當(dāng)LED在導(dǎo)光柱外部時，如圖所示，在這種情況下只有在LED指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)生的光都會損失掉。在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計下只有小于10%的光通量能被

8、耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)。在這種情況下如果采用一個凸透鏡將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，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，無疑會增加產(chǎn)品的成本。導(dǎo)光柱最佳最有效的設(shè)計就是將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

9、損耗，光線捕獲率將會達(dá)到100%。在絕大部分導(dǎo)光柱的應(yīng)用中，這種方法既是不實際的也是不必要的。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的光線，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，一個散射的出口端在其表面具遍布隨機的

10、臨界角以保證光線可以從導(dǎo)光柱內(nèi)部逃逸出來，同時將光線以極寬的角度散射出去，這樣不論從哪個角度看過去導(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的導(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的外形以保證高效的耦合和捕獲光線。對于貼片LED其發(fā)光區(qū)域是平坦的表面，

11、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的發(fā)光面略大以保證捕獲92%的光線。貼片LED的封裝一般是立方體，光線是發(fā)散的，既從頂部射出也從側(cè)面射出。只有40%的光是從LED頂部射出的，另外60%的光是從LED側(cè)面射出的。因此，對于這種輸入端是平面的導(dǎo)光柱來說只有40%的光可以被導(dǎo)光柱捕獲，其余的光通量就損失掉了。一個具有光滑內(nèi)凹輸入端的導(dǎo)光柱將有效提高光通量的捕獲率，如圖所示。大約70%-80%的光量可以被導(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，以保證光線在這個面上能夠較容易的逃脫出去。從這個表面逃逸的光線以隨