長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的光學(xué)特性及影響因素

董 曉，鄭志軍，華 成

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

1 研究背景和意義

目前汽車(chē)內(nèi)飾氛圍燈按照光源類(lèi)型主要分為點(diǎn)光源氛圍燈、線光源氛圍燈以及面光源氛圍燈，其中光導(dǎo)式氛圍燈是最常見(jiàn)的線光源氛圍燈。

其中，光導(dǎo)式氛圍燈根據(jù)加工工藝可劃分為注塑光導(dǎo)氛圍燈和激光切割光導(dǎo)；根據(jù)發(fā)光長(zhǎng)度又劃分為短光導(dǎo)氛圍燈和長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：長(zhǎng)度≤400mm定義為短光導(dǎo)氛圍燈（圖1）；長(zhǎng)度＞400mm定義為長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈（圖2）。

圖1 短光導(dǎo)氛圍燈

圖2 長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈

近年來(lái)，隨著用戶(hù)對(duì)駕乘體驗(yàn)要求的不斷提升，車(chē)內(nèi)氛圍燈呈現(xiàn)出大面積發(fā)光的趨勢(shì)，對(duì)于長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的應(yīng)用需求也日益增加，隨著發(fā)光長(zhǎng)度的增加，產(chǎn)生開(kāi)發(fā)難度也不斷上升的問(wèn)題。因此，本文主要研究影響激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈光學(xué)特性的影響因素以及相關(guān)設(shè)計(jì)建議，對(duì)汽車(chē)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的開(kāi)發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈光學(xué)特性

2.1 亮度

亮度（cd/㎡）是指光源或被照面上某一方向的單位面積的發(fā)光強(qiáng)度，是可以被人眼感知的。針對(duì)不同類(lèi)型的長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈規(guī)定不同的亮度要求，一般直接式長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈亮度要求高于間接式氛圍燈。在氛圍燈零件組裝完成后，需應(yīng)用成像亮度計(jì)或光譜儀等儀器按照整車(chē)上一定的角度對(duì)亮度進(jìn)行測(cè)量，要求其平均亮度需滿足規(guī)定亮度值，若亮度超過(guò)規(guī)定要求，則要結(jié)合主觀評(píng)價(jià)來(lái)確定最終的亮度值。

2.2 均勻性

車(chē)內(nèi)氛圍燈要求光照必須均勻，主要包括兩個(gè)方面：①要求在長(zhǎng)度方向上最高、最低亮度比不得超過(guò)一定的比例，通常對(duì)于整個(gè)發(fā)光區(qū)域會(huì)選取幾條亮度曲線進(jìn)行評(píng)價(jià)，如圖3所示；②在長(zhǎng)度方向的某一位置的截面上亮度不允許有較大差異，如圖4所示。

圖3 亮度曲線

圖4 截面亮度曲線

2.3 光色

光色要求是根據(jù)目前國(guó)際上常用的兩種色度標(biāo)準(zhǔn)CIE 1931 Yxy和CIE 1976 UCS來(lái)規(guī)定的，每個(gè)主機(jī)廠會(huì)針對(duì)每種顏色給出標(biāo)準(zhǔn)的中心色坐標(biāo)值以及一定的偏差要求，即可得到標(biāo)準(zhǔn)光色范圍。對(duì)于氛圍燈光色的基本要求為：零件實(shí)測(cè)的每種顏色的色坐標(biāo)值符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光色范圍，不得因點(diǎn)亮?xí)r間和環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生顏色飄移（后文簡(jiǎn)稱(chēng)色飄）。

光色測(cè)試和評(píng)價(jià)方法如下：首先，氛圍燈組裝完成后，運(yùn)用光譜儀對(duì)整燈所有顏色進(jìn)行點(diǎn)亮測(cè)量，得到所有顏色的色坐標(biāo)值；然后，將測(cè)量得到的色坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)光色范圍進(jìn)行對(duì)比，判斷是否有色飄及偏差程度。

3 激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈光學(xué)特性影響因素

長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的光學(xué)特性的好壞是直接影響氛圍燈效果的關(guān)鍵，良好的發(fā)光效果可以給乘客帶來(lái)愉悅的駕乘體驗(yàn)。而在長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，光學(xué)往往是開(kāi)發(fā)難度最大的一點(diǎn)。因此，清楚各種光學(xué)特性的影響因素是至關(guān)重要的，可以對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的光學(xué)問(wèn)題快速找到具體的原因及優(yōu)化方法，極大地提升開(kāi)發(fā)效率。

3.1 燈具自身相關(guān)影響因素

3.1.1 LED模組

LED（Light Emitting Diode），即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料。其發(fā)光原理是電致發(fā)光，當(dāng)LED兩端加上電壓時(shí)，在電場(chǎng)的作用下激發(fā)電子由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，當(dāng)這些電子從高能態(tài)回到低能態(tài)時(shí)，根據(jù)能量守恒，多余的能量就以光的形式釋放。

LED發(fā)出多種顏色的原理為：由于不同的光有不同的波長(zhǎng)，不同的波長(zhǎng)使光呈現(xiàn)不同的顏色，而LED發(fā)光的波長(zhǎng)取決材料的PN結(jié)寬度，根據(jù)PN結(jié)不同，所以LED的發(fā)光色彩與發(fā)光的波長(zhǎng)有關(guān)，而發(fā)光的波長(zhǎng)又取決于制造LED所用的半導(dǎo)體材料。

為了研究LED模組對(duì)亮度的影響，我們選取了常用的不同品牌的LED進(jìn)行了亮度對(duì)比測(cè)量，得出結(jié)論為：不同型號(hào)的LED能輸出的最大光通量不同，因此LED的選擇直接決定了氛圍燈整體亮度。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)電流

為了研究驅(qū)動(dòng)電流對(duì)亮度的影響，我們將測(cè)試電壓固定為13.5V，在常溫（25℃）和高溫（85℃）條件下，使用同一型號(hào)LED和相同型號(hào)的芯片進(jìn)行測(cè)試，得出的結(jié)論為：通過(guò)改變電流來(lái)調(diào)節(jié)LED的光輸出，在未到達(dá)上限前，電流越大，LED光輸出越大。LED隨著溫度升高亮度降低，增大產(chǎn)品的輸出電流勢(shì)必增加溫度，使電子元器件處于極限工作狀態(tài)，會(huì)降低產(chǎn)品的使用壽命。

3.1.3 LED與光導(dǎo)安裝固定方式

目前最常見(jiàn)的LED與光導(dǎo)的安裝固定方式主要是卡接，安裝過(guò)程中主要關(guān)注的是定位精度。LED與光導(dǎo)的定位精度主要影響亮度和光色。

首先，LED與光導(dǎo)相對(duì)位置的準(zhǔn)確性直接影響到LED所發(fā)射光線進(jìn)入光導(dǎo)的比例，比例越高則亮度越高，反之則亮度越低。

其次，定位不準(zhǔn)確會(huì)造成三原色進(jìn)入光導(dǎo)的比例發(fā)生差異，進(jìn)而體現(xiàn)為整體顏色發(fā)生偏差。

因此，定位精度越高，越接近理論設(shè)計(jì)狀態(tài)，越有利于減小亮度偏差和色飄的可能性。一般要求光導(dǎo)與LED模組中的PCB板有直接定位關(guān)系。

3.1.4 LED與光導(dǎo)距離

LED與光導(dǎo)的距離主要對(duì)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的亮度產(chǎn)生影響。為了研究具體影響方式，選取某品牌的LED進(jìn)行不同距離下的光利用率的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 LED與光導(dǎo)距離

根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出結(jié)論為：LED與光導(dǎo)距離越近，則光源利用率越高，但是距離過(guò)近會(huì)產(chǎn)生光導(dǎo)與LED碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 光導(dǎo)相關(guān)因素

1）光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。光學(xué)齒導(dǎo)光原理是：光導(dǎo)內(nèi)部的光線經(jīng)過(guò)光學(xué)齒反射，改變傳遞方向，從光導(dǎo)齒正對(duì)的介質(zhì)面出射。根據(jù)光學(xué)齒的屬性不同，對(duì)發(fā)光效率的影響也不同，方便控制出光方向，也可以通過(guò)磨砂/散射材料面罩使光線進(jìn)一步散射，提升均勻性，使用白色支架可使后部光線折回，提升亮度。為了研究具體影響方式，將光學(xué)齒的間距、高度、寬度和齒傾角設(shè)置變量，來(lái)測(cè)量長(zhǎng)光導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)。得出結(jié)論為：在不同間距條件下，間距越大，亮度越低，齒痕越明顯，間距一般不超過(guò)3mm；不同高度條件下，高度越小，亮度越低，倒角后一般不低于0.05mm；不同寬度條件下，寬度越小，亮度越低，寬度一般在1～2mm之間；不同齒傾角條件下，決定出光方向，一般40°左右，使出光方向近似垂直光導(dǎo)，過(guò)小的start angle無(wú)法使光打向光導(dǎo)正面，過(guò)大的start angle出光效率極低。

2）光導(dǎo)材料。光導(dǎo)（light guide）是一種把LED發(fā)出的光從PCB上導(dǎo)向前面板或者需要發(fā)光的位置的結(jié)構(gòu)件，一般采用PC材料或者PMMA材料制成，具有很好的導(dǎo)光性能。為了研究光導(dǎo)材料對(duì)光學(xué)特性的影響，選取不同材質(zhì)的光導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論為：材料透過(guò)率越高，光導(dǎo)亮度越高，并且材料中有雜質(zhì)會(huì)影響均勻性。所以通常使用PC或PMMA作為光導(dǎo)材料，PMMA材料的光導(dǎo)色散小、通透性好且不容易發(fā)黃，所以?xún)?yōu)選PMMA材料。

3）光導(dǎo)皮紋。皮紋結(jié)構(gòu)相較于光學(xué)齒結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單且不易大角度改變出光方向；外觀不會(huì)出現(xiàn)條紋，出光面效果細(xì)膩均勻。不同型號(hào)的皮紋結(jié)構(gòu)對(duì)光導(dǎo)的光學(xué)特性影響也不同，為了研究不同型號(hào)皮紋結(jié)構(gòu)對(duì)光學(xué)特性的影響，選取了3種不同型號(hào)的皮紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，得出結(jié)論為：皮紋表面粗糙度越大，則密度越大，光導(dǎo)皮紋區(qū)域亮度就越高，均勻性也就越好，但是光導(dǎo)色飄就會(huì)越嚴(yán)重。所以，在長(zhǎng)光導(dǎo)上皮紋通常用來(lái)增加局部亮度，優(yōu)化均勻性；在外透鏡上，皮紋通常用于提升均勻性。

4）光導(dǎo)長(zhǎng)度。光導(dǎo)的長(zhǎng)度也是影響光學(xué)特性的條件之一，為了研究具體影響方式，選取一根1000mm的長(zhǎng)光導(dǎo)，點(diǎn)亮后在每200mm處進(jìn)行截面的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 光導(dǎo)長(zhǎng)度影響方式

結(jié)論為：光導(dǎo)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，平均亮度就越低，光衰減越多，尾端越暗，均勻性就越差；尾部相對(duì)于頭部來(lái)說(shuō)色飄也就越明顯，所以一般單個(gè)燈頭光導(dǎo)長(zhǎng)度應(yīng)控制在550mm以?xún)?nèi)。

5）光導(dǎo)折彎半徑。光導(dǎo)的光學(xué)特性不僅僅與材料、長(zhǎng)度等因素有關(guān)，它的折彎半徑也會(huì)影響光導(dǎo)的光學(xué)特性。為了研究具體影響方式，將3根折彎半徑分別為30mm、40mm和50mm的光導(dǎo)點(diǎn)亮進(jìn)行測(cè)量，得出結(jié)論為：光導(dǎo)折彎半徑弧度越大，光損失就越多，尾端亮度就越低，而且會(huì)出現(xiàn)亮斑或者暗區(qū)，影響均勻性，色飄也會(huì)越嚴(yán)重；在入光端的光導(dǎo)弧度如果過(guò)大的話，也不利于混光。所以一般激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)的折彎角度應(yīng)大于135°，折彎半徑應(yīng)大于50mm。

6）入光區(qū)（混光區(qū)）長(zhǎng)度。為了研究入光區(qū)長(zhǎng)度對(duì)長(zhǎng)光導(dǎo)光學(xué)特性的影響，我們選取了一條長(zhǎng)光導(dǎo)進(jìn)行點(diǎn)亮測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 光導(dǎo)入光區(qū)光學(xué)效果

結(jié)論為：入光區(qū)過(guò)短，部分光逃逸，會(huì)導(dǎo)致整體亮度變暗，會(huì)出現(xiàn)發(fā)彩和亮斑，如果RGB三原色沒(méi)有混合均勻，也會(huì)引起整體的色飄。

3.3 支架及Lens相關(guān)因素

1）支架表面處理。光導(dǎo)支架的材質(zhì)一般是PC、ABS或PP材質(zhì)，PC和ABS材質(zhì)硬度偏高，與PMMA光導(dǎo)易出現(xiàn)異響，PP材質(zhì)低溫易變脆，不耐磨，而且容易老化。支架上光導(dǎo)反射面的處理也會(huì)影響光導(dǎo)的光學(xué)特性。為了研究具體影響方式，設(shè)置2個(gè)表面做不同處理的支架進(jìn)行光學(xué)模擬，一個(gè)光潔面，另一個(gè)做鍍鉻處理，模擬數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 支架上光導(dǎo)反射面表面處理對(duì)亮度影響

結(jié)論為：支架表面處理對(duì)亮度的影響不大，增加支架光澤度或做鍍鉻處理可以提升亮度。

2）支架顏色。一般選用冷白色、米白色、正白色和黑色。為了研究不同顏色的支架對(duì)光導(dǎo)光學(xué)特性的影響，選取這4種不同顏色的支架來(lái)進(jìn)行測(cè)量，得出的結(jié)論為：白色支架反射率高，亮度高，但是均勻性較差；黑色支架吸收率高，亮度較低，但均勻性較好；支架本身不會(huì)引起色飄，但不同顏色的支架會(huì)對(duì)整體光色產(chǎn)生影響。所以通常亮度充足的條件下，推薦采用黑色支架；亮度不足的條件下，考慮采用淺色支架（優(yōu)先考慮正白色）以提升亮度，但需要減少支架上的安裝結(jié)構(gòu)，以保證均勻性。

3）安裝結(jié)構(gòu)。激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)常用安裝方式為卡接，卡扣設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)在卡扣區(qū)域形成暗影，影響均勻性?？畚恢弥Ъ軆?yōu)先級(jí)大于光導(dǎo)，光導(dǎo)尾端優(yōu)先級(jí)大于頭部，非出光區(qū)域優(yōu)先級(jí)大于出光區(qū)域。

4）Lens材料及厚度。透鏡（Lens）是根據(jù)光的折射規(guī)律制成，由透明物質(zhì)制成的一種光學(xué)元件。Lens的材料也是影響光導(dǎo)光學(xué)特性的因素之一，為了研究具體影響方式，選取兩種不同擴(kuò)散系數(shù)材料的Lens進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 Lens材料對(duì)亮度影響

結(jié)論為：Lens材料擴(kuò)散系數(shù)越大，透光率越低，亮度越暗，氛圍燈各方向越容易均勻，擴(kuò)散系數(shù)越小，透光率越高，亮度越亮，氛圍燈各方向越容易不均勻。

3.4 環(huán)境件相關(guān)影響因素

3.4.1 被照面參數(shù)

常用的被照面材質(zhì)有PU表皮、PVC、塑料件（皮紋/噴漆）、織物和IMD膜片，被照面的材質(zhì)、顏色和皮紋都是影響光學(xué)特性的因素。圖10是不同被照面呈現(xiàn)出的效果。

圖10 被照面材質(zhì)對(duì)亮度的影響

為了研究具體影響方式，分別以不同材質(zhì)、顏色和皮紋的被照面作為變量進(jìn)行測(cè)量對(duì)比，得出的結(jié)論為：被照面的材質(zhì)、顏色和皮紋會(huì)直接影響亮度，淺色被照面亮度高于深色被照面亮度，細(xì)皮紋亮度高于粗皮紋亮度；氛圍燈的皮紋大小以及花紋會(huì)影響氛圍燈的均勻性，粗皮紋均勻性要大于細(xì)皮紋均勻性；被照面不會(huì)影響光導(dǎo)的色飄，但是淺色被照面會(huì)加大人眼對(duì)色飄的識(shí)別度。

所以通常被照面反射率不可過(guò)高，否則會(huì)反射出光學(xué)齒；被照面區(qū)域應(yīng)避免使用鍍鉻、高光反射材質(zhì)，否則會(huì)出現(xiàn)齒痕、眩目問(wèn)題。

3.4.2 被照面與光導(dǎo)的相對(duì)位置

為了研究被照面與光導(dǎo)的相對(duì)位置對(duì)光學(xué)特性的影響，對(duì)被照面和光導(dǎo)的距離、角度設(shè)置變量進(jìn)行測(cè)量，得出結(jié)論為：光導(dǎo)的位置、縫寬、被照面一定時(shí)，被照面與光導(dǎo)距離越近，亮度就越高；被照面與光導(dǎo)的距離和被照面的角度整體是否保持一致，直接影響氛圍燈的均勻性；光導(dǎo)位置、縫寬、距被照面距離一定時(shí)，被照面角度越大，光照寬度就越大。

所以通常建議被照面與光導(dǎo)距離為10mm±20%，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致光利用率較低，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致光寬過(guò)窄，且容易產(chǎn)生齒??；被照面角度為60°±10%，太大會(huì)導(dǎo)致光利用率低，亮度低；過(guò)小會(huì)導(dǎo)致照亮寬度過(guò)窄；被照面與光導(dǎo)的距離、被照面的角度，氛圍燈區(qū)域需保持一致。

3.4.3 出光縫隙寬度

為了研究出光縫隙寬度對(duì)光學(xué)特性的影響，對(duì)出光縫隙的寬度設(shè)置變量進(jìn)行測(cè)量，寬度分別為2.5mm、3.5mm和4.5mm，測(cè)量結(jié)果如圖11所示。

圖11 出光縫隙寬度對(duì)亮度影響

結(jié)論為：縫寬的大小對(duì)主亮區(qū)亮度不會(huì)產(chǎn)生影響；氛圍燈前后縫寬是否一致會(huì)直接影響氛圍燈的均勻性；縫寬寬度越大，光寬就越寬；縫寬寬度越小，光寬就越窄。所以通常造型設(shè)計(jì)階段，需要要求氛圍燈前后縫寬保持一致。建議縫寬為4mm，縫寬過(guò)大，客戶(hù)手指會(huì)觸摸到光導(dǎo)；縫寬過(guò)小，光利用率較低，光照亮度和寬度將無(wú)法滿足要求。

3.4.4 觀察角度

在不考慮顏色條件下，反射材質(zhì)特性：反射率（Reflection）=朗伯反射+高斯反射+鏡面反射。

朗伯反射（Lambertian）：散射不分方向，對(duì)均勻性最有利；鏡面反射（Specular）：散射方向性最強(qiáng)，光源、被照面法線、反射角三者成鏡面關(guān)系；高斯反射（Gaussian）：在鏡面反射基礎(chǔ)上具有一定擴(kuò)散特性，在鏡面方向會(huì)觀察到亮度明顯變強(qiáng)。

為了研究觀察角度對(duì)光學(xué)特性的影響，在不同角度位置對(duì)其進(jìn)行觀察測(cè)量，得出的結(jié)論為：高斯散射為主的被照面，人眼、被照面法線、光導(dǎo)成鏡像關(guān)系時(shí)亮度最大；朗伯散射為主的被照面，觀察角度垂直被照面時(shí)亮度最大。鏡面反射或高斯散射為主的被照面，光線方向性強(qiáng)，但均勻性較差；朗伯散射為主的被照面，各角度均勻性差異不大。所以通常被照面區(qū)域應(yīng)避免使用鍍鉻、高光等高反射材質(zhì)。

4 總結(jié)

本文主要研究了激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈光學(xué)特性的影響因素，主要與燈具自身和環(huán)境件有關(guān)；燈具自身因素包括LED相關(guān)因素、光導(dǎo)相關(guān)因素、支架及Lens相關(guān)因素，環(huán)境件因素包括被照面參數(shù)、被照面與光導(dǎo)的相對(duì)位置、出光縫隙寬度和觀察角度。根據(jù)不同條件及參數(shù)進(jìn)行模擬或?qū)嶒?yàn)，來(lái)對(duì)激光打點(diǎn)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的光學(xué)特性和其影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，總結(jié)出相關(guān)知識(shí)和關(guān)系，對(duì)后續(xù)汽車(chē)長(zhǎng)光導(dǎo)氛圍燈的開(kāi)發(fā)進(jìn)行參考或借鑒。