Light Guideing導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)指南

1、Light Guide Techniques導(dǎo)光技術(shù)Using LED Lamps使用LED光源Application Brief I-003導(dǎo)光柱是什么？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)?。?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(shí)也可以用來照亮在透過式窗口上的圖案。這篇文章論述了簡(jiǎn)單的導(dǎo)光柱的設(shè)計(jì)方法以適應(yīng)這樣或那樣的應(yīng)用。基本原理Snell定律：當(dāng)光線入射到兩種不同

2、的介質(zhì)的交界面時(shí)，例如塑料和空氣，光線會(huì)在通過這個(gè)交界面時(shí)產(chǎn)生折射，如圖1所示。光線射入這個(gè)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fSnell定律：ni*sini = nf*sinf圖1Snell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。鏡面反射定律：鏡面反射定律是這樣定義的，光線的入射角與反射角相等，如圖2所示，鏡面反射光線是沒有損耗的。Fresnel Loss 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)因?yàn)樵诮唤缑嫔袭a(chǎn)生反射而產(chǎn)生損耗，如圖2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)

3、算：對(duì)于光線從塑料射入空氣和從玻璃射入空氣這兩種情況下菲涅耳損耗都是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i，如圖3所示光線穿過一個(gè)表面平行的塑料（玻璃）板。圖2圖3圖4完全內(nèi)反射：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鐖D4所示。這時(shí)sin f (90) = 1.0，因此Snell定律就簡(jiǎn)化成ni*sin i = 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：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

4、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)光柱表面的入射角達(dá)到或大于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，因?yàn)橛眠@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。Snell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。這篇文章中應(yīng)用光線追蹤法來舉例說明如何進(jìn)行導(dǎo)光柱的設(shè)計(jì)。導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)

5、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)捷敵龆?） 如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出將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(shí)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(shí)，效率是最高的。當(dāng)LED在導(dǎo)光柱外部時(shí)，如圖5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

6、接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，絕大部分LED產(chǎn)生的光都會(huì)損失掉。在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下只有小于10%的光通量能被耦合進(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)，如圖6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(jì)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(wú)疑會(huì)增加產(chǎn)品的成本。導(dǎo)光柱最佳最有效的設(shè)計(jì)就是將LED固定到導(dǎo)光柱的內(nèi)部，如圖7a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(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

7、而產(chǎn)生的菲涅耳損耗，光線捕獲率可以達(dá)到92%。這種設(shè)計(jì)推薦應(yīng)用在圓頂封裝的LED如T-13/4、T-1和微型LED上。如果將LED用光學(xué)環(huán)氧膠粘合到導(dǎo)光柱內(nèi)部，如圖7b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損耗，光線捕獲率將會(huì)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(shí)際的也是不必要的。本篇文章中所有推薦的導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)都是以假設(shè)LED與導(dǎo)光柱之間存在空氣間隙為前提的。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8所示。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

8、以反射角度小于臨界角的光線，否則這些光線將會(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(gè)散射的出口端在其表面具遍布隨機(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，這樣不論從哪個(gè)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）圖5圖6圖7a LED定位在導(dǎo)光柱內(nèi)部以獲得最高的光線捕獲率圖7b 對(duì)于矩形和特殊形狀的導(dǎo)光柱，其拐角必須是圓角，半

9、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8所示逐漸變化。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(duì)于貼片LED其發(fā)光區(qū)域是平坦的表面，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9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。圖9 貼片LED導(dǎo)光柱貼片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

10、部射出的，另外60%的光是從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(gè)具有光滑內(nèi)凹輸入端的導(dǎo)光柱將有圖8 導(dǎo)光柱的基本特征，圖中是一個(gè)從圓形輸入端漸變到方形輸出端的導(dǎo)光柱效提高光通量的捕獲率，如圖10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(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捕獲能力。在圖11中，這種下沉式貼片LED是設(shè)計(jì)用來將光照射至PCB板的反面的。這種LED定位在PCB上的孔中央，相比于表面貼片LED，內(nèi)凹的導(dǎo)光柱可以捕獲更多的光量。圖10

11、 光滑內(nèi)凹輸入端的導(dǎo)光柱將提高光線捕獲能力圖12 T-1 3/4 LED插入導(dǎo)光柱輸入端以獲得更高的光通量耦合對(duì)于T-1 3/4的彩色擴(kuò)散LED，LED插入導(dǎo)光柱輸入端的最小深度應(yīng)當(dāng)保證LED反光杯以上的部分全部插入導(dǎo)光柱的輸入端內(nèi)，以保證光通量的耦合效率，如圖12所示。這樣可以保證92%的耦合效率。如果想獲得最佳的耦合效率，推薦將整個(gè)LED從底面以上全部插入導(dǎo)光柱內(nèi)部。對(duì)于T-1 3/4 LED，導(dǎo)光柱輸入端孔徑應(yīng)當(dāng)在5.33mm至5.59mm，孔的末端應(yīng)當(dāng)是光滑的球型穹面。最小孔深5.33mm以保證LED的最小插入深度，最小孔深8.31mm以保證LED完全插入導(dǎo)光柱內(nèi)。對(duì)于T-1 LED，

12、孔徑應(yīng)當(dāng)在3.30mm至3.43mm。這種LED必須完全插入導(dǎo)光柱內(nèi)才能獲得較高的光通量耦合，導(dǎo)光柱最小孔深2.165mm。對(duì)于長(zhǎng)條形的LED也可以作為導(dǎo)光柱的光源，這種LED具有較大面積的平面發(fā)光區(qū)域。因此，為保證最佳的耦合效率，導(dǎo)光柱的輸入端也應(yīng)當(dāng)是光滑的平面，并且靠近和覆蓋光源的整個(gè)發(fā)光表面，如圖13所示。導(dǎo)光柱的輸入端面積應(yīng)當(dāng)比光源面積略大，以保證92%的光能夠被捕獲。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)表面逃逸的光線以隨機(jī)的角度射出從而形成一個(gè)寬角度的照射范圍，如圖14所示。圖13 條形LED光源的