光導(dǎo)設(shè)計參數(shù)對光強(qiáng)的影響研究

李虎強(qiáng) 韓紅亮

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

光導(dǎo)設(shè)計參數(shù)對光強(qiáng)的影響研究

李虎強(qiáng) 韓紅亮

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130011）

為提高汽車燈具中LED光導(dǎo)的光通利用率和發(fā)光均勻性，對齒高、齒寬、起始角、結(jié)束角、齒距等光導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究，利用SPEOS CAA V5光學(xué)設(shè)計軟件對一系列不同參數(shù)狀態(tài)下的光導(dǎo)進(jìn)行光強(qiáng)模擬仿真。通過對仿真結(jié)果的分析，得到了各參數(shù)對光通利用率的影響趨勢，為工程設(shè)計人員的前期設(shè)計提供了參考。

1 前言

汽車燈具不僅為用戶提供良好的夜間照明及警示功能，同時也是體現(xiàn)主機(jī)廠造型特點、為消費者營造良好視覺效果的必備部件，光導(dǎo)在燈具上的廣泛應(yīng)用能夠極大地滿足這種需求。光導(dǎo)技術(shù)的光通利用率和發(fā)光均勻性一直是設(shè)計者關(guān)注的重中之重，如何在LED芯片相同的情況下通過優(yōu)化光導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)提高光照強(qiáng)度、改善光照均勻性成為了設(shè)計者研究的熱點。

目前，雖然很多生產(chǎn)廠家在燈具設(shè)計中采用了光導(dǎo)技術(shù)，但光導(dǎo)對LED光源的光通利用率低、發(fā)光不均勻的缺陷時有發(fā)生，因此，研究光導(dǎo)設(shè)計中各參數(shù)對光通利用率、發(fā)光均勻性的影響有著非常重要的意義。

2 光導(dǎo)的類型與光學(xué)原理

2.1 常用光導(dǎo)的結(jié)構(gòu)形式

2.1.1 直線光導(dǎo)類

這類光導(dǎo)的外形一般為直線形或曲率較小的弧線形，光導(dǎo)花紋的光導(dǎo)齒間一般沒有間隙，可以保證較高的光利用率，具體形式及細(xì)節(jié)見圖1。

圖1 直線光導(dǎo)及細(xì)節(jié)

此類光導(dǎo)（見圖2）的結(jié)構(gòu)與直線類光導(dǎo)相同，但光導(dǎo)的曲率很大，有時甚至為圓形。有研究表明[1]，彎曲損耗隨彎曲半徑R的減小而增大，故設(shè)計中光導(dǎo)的彎曲半徑不能過小，否則會使一部分光在彎曲處無法滿足全反射條件而射出光導(dǎo)，因此在曲率較大的區(qū)域，光導(dǎo)齒間一般設(shè)計間隔。

圖2 彎曲光導(dǎo)及細(xì)節(jié)

2.1.3 柔性光導(dǎo)類

直線類和彎曲類光導(dǎo)均為鋸齒形側(cè)面發(fā)光光導(dǎo)，其發(fā)光原理相同，僅是光導(dǎo)尺寸及光導(dǎo)齒參數(shù)不同而形成的不同表現(xiàn)形式的光導(dǎo)。與上述光導(dǎo)形式相比，柔性光導(dǎo)具有側(cè)面出光均勻、光利用率高、允許彎曲角度大等優(yōu)點，但其成本偏高。柔性光導(dǎo)外層為透明塑料保護(hù)套，內(nèi)部由多根直徑約70 μm的光纖密布排列組成（見圖3），每根光纖則由內(nèi)部的玻璃纖心和外部的玻璃包層構(gòu)成，而光導(dǎo)的側(cè)面發(fā)光是由于纖心和包層界面的散射核產(chǎn)生側(cè)面散射（見圖4）所致[1]。

圖3 柔性光導(dǎo)

圖4 單根光導(dǎo)纖維的散射

2.2 光導(dǎo)設(shè)計參數(shù)

本文主要研究直線類和彎曲類光導(dǎo)的設(shè)計。如圖5所示，光導(dǎo)設(shè)計的參數(shù)一般包括：齒高（h），即光導(dǎo)齒頂點與光導(dǎo)本體的距離；齒寬（L），即光導(dǎo)齒本身的寬度；齒距（s），即單個光導(dǎo)齒的長度；起始角（α），即單個光導(dǎo)齒上靠近光導(dǎo)光源一側(cè)的內(nèi)角角度；結(jié)束角（β），即單個光導(dǎo)齒上遠(yuǎn)離光導(dǎo)光源一側(cè)的內(nèi)角角度。

圖5 光導(dǎo)設(shè)計參數(shù)

2.3 光導(dǎo)光學(xué)原理

光線在兩個均勻的各向同性透明介質(zhì)中傳播時，在它們的介面上會發(fā)生反射和折射，如圖6所示。入射角α1、反射角α3和折射角α2之間的關(guān)系滿足反射定律和折射定律：

移民官(對譯員)：What does he mean by nominal age?(他說的虛歲是什么？)

式中，n1、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。

當(dāng)光線由折射率高的介質(zhì)進(jìn)入折射率低的介質(zhì)時，α2＞α1，由于入射光中只有一部分被反射，另一部分被折射，所以反射光的強(qiáng)度總是小于入射光。當(dāng)α1足夠大時，α2＞90°，即不發(fā)生折射，所有的入射光都被反射，反射光與入射光的強(qiáng)度相等，成為全反射。利用全反射原理，使得從一定角度進(jìn)入光導(dǎo)體內(nèi)的光線在光導(dǎo)傳播時一直發(fā)生全反射，然后從另一端射出，其間，通過調(diào)整影響光線傳播路徑的光導(dǎo)齒參數(shù)使光有規(guī)律地從光導(dǎo)管內(nèi)沿著設(shè)計方向射出，形成光導(dǎo)。

圖6 光導(dǎo)的反射與折射（n1＞n2）

3 各參數(shù)對光導(dǎo)發(fā)光效率的影響

3.1 直線類光導(dǎo)3D模型

本文分析使用的光導(dǎo)均采用圖7光導(dǎo)模型，僅對光導(dǎo)齒的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整研究。

圖7 光導(dǎo)模型

3.2 齒高

齒高分別設(shè)定為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，其他參數(shù)的設(shè)置見表1，進(jìn)行4次模擬。

表1 齒高變化條件下其他光導(dǎo)齒參數(shù)設(shè)置

光導(dǎo)材料的體屬性選用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），折射率為1.489，面屬性采用光學(xué)拋光，對可見光無吸收率，以降低模擬難度。光強(qiáng)傳感器設(shè)定為水平方向±62.5°，垂直方向±15°。

LED光源型號為OSRAM TOPLED LS_E63F，功率為0.15 W，光的分布主要集中在0°～15°范圍內(nèi)，較小的出光角有助于光的充分利用。

光導(dǎo)條齒高為1 mm時光強(qiáng)模擬結(jié)果如圖8所示，由圖8可知，光導(dǎo)中間偏LED側(cè)是光強(qiáng)的極值點，這是在所有光導(dǎo)齒參數(shù)相同時，靠近LED光源處獲得的光能量較多且反射的光線較多造成的。取所有光導(dǎo)齒反射的光強(qiáng)的平均值對光導(dǎo)反射能力作整體評估，不同齒高條件下的發(fā)光強(qiáng)度如圖9所示。

圖8 光強(qiáng)模擬結(jié)果示意

圖9 齒高對光強(qiáng)的影響

由圖9可知，在光導(dǎo)其它參數(shù)不變的情況下，單個光導(dǎo)齒越高，獲得的平均光強(qiáng)越高，光導(dǎo)的光通利用率越高。但光導(dǎo)齒高度有上限要求，有關(guān)研究表明，光導(dǎo)齒高度不應(yīng)超過光導(dǎo)直徑的1/20，否則光導(dǎo)齒會產(chǎn)生陰影效應(yīng)[2]，光效反而降低。

3.3 齒寬

齒寬分別設(shè)定為4 mm、5 mm、6 mm，其他參數(shù)的設(shè)置見表2，進(jìn)行3次模擬。光導(dǎo)的材料屬性和面屬性不變，光強(qiáng)傳感器設(shè)定、LED型號相同。

表2 齒寬變化條件下其他光導(dǎo)齒參數(shù)設(shè)置

不同齒寬條件下的發(fā)光強(qiáng)度如圖10所示，光強(qiáng)隨著光導(dǎo)齒寬度的增加而增大，因此，在工藝允許的條件下，光導(dǎo)齒越寬，對光的利用率越高，能夠獲得更多的側(cè)面發(fā)光[3]。

圖10 齒寬對光強(qiáng)的影響

3.4 起始角

起始角分別設(shè)定為30°、45°、75°，其他參數(shù)的設(shè)置見表3，進(jìn)行3次模擬。光導(dǎo)的材料屬性和面屬性不變，光強(qiáng)傳感器設(shè)定、LED型號相同。

表3 起始角變化條件下其他光導(dǎo)齒參數(shù)設(shè)置 mm

不同起始角條件下的發(fā)光強(qiáng)度如圖11所示，起始角越大，結(jié)束角越小，光導(dǎo)側(cè)面發(fā)光效率越高。此外，不同起始角條件下的光強(qiáng)分布如圖12所示，由圖12可知，起始角決定光導(dǎo)側(cè)面發(fā)光的出光方向，出光集中方向隨著起始角的變大而隨出光方向順時針移動。

圖11 齒高對光強(qiáng)的影響

圖12 不同起始角的光強(qiáng)分布

3.5 齒距

光導(dǎo)齒密度越大、齒距越小，側(cè)面發(fā)光光效率顯然越高，因此，光導(dǎo)齒距對發(fā)光效率的影響關(guān)系，不再進(jìn)行軟件仿真分析。

4 參數(shù)優(yōu)化后的光導(dǎo)仿真

通過上面幾個方面的分析和仿真，得出了光導(dǎo)設(shè)計參數(shù)對側(cè)面出光效率的影響關(guān)系，能夠指導(dǎo)光導(dǎo)在設(shè)計時參數(shù)的具體設(shè)置方法；而光導(dǎo)設(shè)計中重要考慮因素不僅有光導(dǎo)的側(cè)面發(fā)光效率，從美觀性考慮，更加注重整個光導(dǎo)的發(fā)光均勻性，即光導(dǎo)點亮后不能出現(xiàn)亮度高亮或低暗的區(qū)域。

顯然，如果光導(dǎo)在各個點的參數(shù)均一致，由于靠近光源側(cè)的光入射率高，能量損失小，靠近光源側(cè)的光導(dǎo)出光光強(qiáng)會很高，而距離光源遠(yuǎn)端的光導(dǎo)出光光強(qiáng)很快變?nèi)酰鈱?dǎo)各點處光導(dǎo)齒參數(shù)一致的亮度仿真結(jié)果如圖13所示，符合預(yù)估。

The Research on the Influence of Light Guide Design Parameters on Light Intensity

Li Huqiang,Han Hongliang
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

In order to improve light flux and illumination homogeneity of car LED light guide,some structural design parameters of light guide,including tooth height,tooth width,start angle,end angle and pitch,were studied,and optical design software,SPEOS CAA V5,was applied to make light intensity simulation for light guide under a series of different parameters.The simulation result was analyzed,and the influence trend of different parameters on light flux utilization ratio was obtained,which provided a reference to primary design for light designers.

Car LED lights guide,Light intensity,Homogeneity,Tooth height,Tooth width

車燈光導(dǎo) 光強(qiáng) 均勻性 齒高 齒寬

U463.65+1

A

1000-3703（2016）12-0012-04