導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)指引教程文件

1、導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)指南精品文檔導(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)?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PCBhLE而光傳輸?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LCD1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pmmaM 料.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

2、粘模,脆性大,如選用此材塑料名稱透光率(為折射率成型特性ABS(透明)891.52易成型AS ( SAN9011.56易粘模,脆性PC901.51易成型PMMA931.49易成型料,要留意出模角度和頂出位置.目前我公司使用的導(dǎo)光柱大局部為性能較好的 表一 各種材料的性能比照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,如下圖.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下關(guān)系.光線射入這個(gè)交界面的角度叫做入射角0i,

3、光線離開交界面的角度叫折射角.f.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Of分別是入射角和折射角.入射光線ninf入射介質(zhì)介質(zhì)邊界折射介質(zhì)'折射光線斯涅爾定律規(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,如下圖.入射光線0r產(chǎn)反射光線ninf入射介質(zhì)介質(zhì)邊界反射介質(zhì)密度比入射介質(zhì)大折射光線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)由于在交界面上產(chǎn)生反射而

4、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收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系治理員刪除菲涅耳損耗=100X 1.50-1.00 / 1.50+1.00 2=4%反之,當(dāng)光從玻璃或透明塑料PMMA PC AS進(jìn)入空氣時(shí),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(shí),折射角.f會(huì)小于入射角.i ,相反,折射角.f會(huì)大于入射角4 i ,如下圖光線穿過一個(gè)外表平行的塑料玻璃板.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,其余的那么被反射.但是,當(dāng)入射角比臨界角大時(shí)光線

5、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；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?如下圖.入射光艘這時(shí)sin f90 ° =1.0 ,因此斯涅爾定律就簡化成ni* sini= 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(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

6、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.Sinc=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,由于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(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

7、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?、如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出；收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系治理員刪除精品文檔3.1、將LEDt線耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)在保證LE,寸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LEDE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LEDb于導(dǎo)光柱外表空氣的交界面內(nèi)部時(shí),效率是最高的.當(dāng)LEDE導(dǎo)光柱外部時(shí),如下圖,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

8、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 掉.LECT生的光都會(huì)損失失去通量導(dǎo)光柱不鼠0蠅流量捕藪工失去通陵在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)方t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),如下圖,并且聚焦后的光線剛好與導(dǎo)光柱輸入端相匹配的話,光線捕獲率可以到達(dá)80%但是這樣的設(shè)計(jì)需要能夠精確限制透鏡與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)品的本錢.通量聚 隹透鎮(zhèn)捕我到|后口匐逋 量導(dǎo)光柱最正確最有效的設(shè)計(jì)就是將LE調(diào)定到導(dǎo)光柱的內(nèi)部,如下圖.在這種結(jié)構(gòu)中LE渥植入導(dǎo)光柱內(nèi)部的,LEDt出的所有

9、光線全部會(huì)被導(dǎo)光柱所捕獲,考慮到LEDW導(dǎo)光柱之間存在空氣間隙而產(chǎn)生的菲涅耳損耗,光線捕獲率可以到達(dá)92%LEDW導(dǎo)光柱之間將沒有空氣間隙因此也就如果將LE通光學(xué)環(huán)氧膠粘合到導(dǎo)光柱內(nèi)部,如下圖,沒有菲涅耳損耗,光線捕獲率將會(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)際的也是不必要的.1 口口拗流量捕在覺察海直接到與光柱占消除氣隙;沒有菲涅耳指失導(dǎo)光在3.2、導(dǎo)光柱的物理特質(zhì)：導(dǎo)光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外表產(chǎn)生完全 內(nèi)反射.導(dǎo)光柱的側(cè)

10、壁可以涂上白色反光涂料以反射角度小于臨界角的光線,否那么這些光線將會(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 光線以最小的反射和散射進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部.LED7卜形匹配以保證高效的捕獲 LED勺光線,保證導(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,這樣不管從哪個(gè)角度看過去導(dǎo)光柱的出口端都 是亮的.收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系治理員刪除精品文檔導(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,

11、半徑不小于 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0.5mm,不能有尖角,以保證拐角處LEDff匹配的圓形到出口處的正方形應(yīng)當(dāng)如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LEM外形以保證高效的耦合和捕獲光線.對(duì)于貼片LE噴發(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LEDA提升光通量耦合效率,如下圖.導(dǎo)光柱的輸入端需要比 捕獲92%勺光線.LED1面平行的平面,導(dǎo)LED勺發(fā)光面略大以保證d Lmm以卜X珀滑、平整外表入口調(diào)FC喊貼片LE而封裝一般是立方體,光線是發(fā)散的,既從頂部射出也從側(cè)面射出.只有40湖光是從LEC®40%勺光可大約70%-80淵光量可以被導(dǎo)光柱捕獲,光量的損失減小到20癱30%部射出的,另外60%勺光是從LED®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 以被導(dǎo)光柱捕獲,其余的光通量就損失掉了.圖所示逐漸變化.收集于網(wǎng)絡(luò),如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系治理員刪除精品文檔這種內(nèi)凹的設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于任何導(dǎo)光柱與LED的組合以提升光通的耦合率和光線捕獲水平.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.從這個(gè)外表逃逸的光線以隨機(jī)的角度射出從而形成一個(gè)寬角