汽車內飾氛圍燈中的光纖應用技術

李澤財

摘 要：汽車內飾氛圍燈是汽車座艙內裝飾照明燈或輔助照明燈，能提升汽車內飾品質，營造座艙內的燈光氛圍，甚至起到調節(jié)駕乘人員情緒，緩解疲勞的作用。汽車內飾氛圍燈的構成包括光源和導光體，光纖是一種易安裝、安全環(huán)保、使用壽命長的高性價比導光光學材料，應用于氛圍燈，有著很好的裝飾效果，成了諸多主機廠的選擇，如何設計和使用光纖也成了眾多廠商亟待解決的問題，本文將著重介紹光纖的特點，光源的要求以及總成的安裝。

關鍵詞：光纖 LED光源 汽車內飾氛圍燈

1 引言

近幾年，國內汽車工業(yè)的發(fā)展日新月異，突飛猛進，尤其是新能源汽車的研發(fā)正處于世界領先水平，汽車作為一件高集成度的產品，應用了大量的新技術，新材料并不斷更替，導光材料是當前汽車車燈材料不可缺少的一種，其應用于前大燈，尾燈，示闊燈，日間燈，踏板燈，內飾氛圍燈等等。汽車內飾氛圍燈的興起，成為了汽車內飾的最大亮點，也成為了新能源汽車的標配。而汽車內飾氛圍燈的也用了各種導光材料，如PMMA，PC，PU等，光纖在汽車內飾氛圍燈的應用越來越多，有著使用方便，安全可選，光效果好，壽命長的優(yōu)越性。

2 光纖簡介

2.1 光纖的誕生

光纖是光導纖維的簡稱，誕生生于1960年，1966年7月，英籍華裔學者，前香港中文大學校長高錕博士（K.C.Kao）在PIEE 雜志上發(fā)表論文《光頻率的介質纖維表面波導》，從理論上分析證明了用光纖作為傳輸媒體以實現光通信的可能性，并預言了制造通信用超低損耗光纖的可能性。高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎，高錕也被尊稱為光纖之父。

2.2 光纖導光原理

光纖之所以能長距離導光決定于光纖的的材料結構，它是由高折射率的纖芯和低折射率的纖皮構成，也就是說光纖是一種由纖芯和纖皮兩種材料構成的光導體，光纖導光必須具備的條件是纖芯折射率大于纖皮折射率，入射光在光纖芯皮界面產生全反射、反射和折射，折射光穿過纖皮層從光纖側面射出，反射光再次反射和折射，多次的全反射、反射和折射使得光纖長距離導光。其導光原理如圖1：

光纖區(qū)別于其它導光材料的特點：頻帶寬，損耗低，重量輕，性能可靠。

2.3 光纖分類

按用途光纖分為兩大類，即通信光纖和非通信光纖。

通信光纖是利用光纖傳輸不同波長的光信號的特點以實現通信的光纖，通信光纖是信息時代和大數據云計算時代的必不可少信號傳輸介質，成為了信息時代的命脈。

非通信光纖即通信光纖以外的光纖統稱為非通信光纖，按材料不同分為石英光纖，多組分玻璃光纖和聚合物光纖。非通信光纖按傳光性能的不同可以實現各應用領域的應用，如醫(yī)療照明與診療，激光傳輸，紫外固化，傳感，檢測，軍事瞄準器，刑偵傳像及裝飾照明等。

3 汽車內飾氛圍燈用光纖

3.1 端面發(fā)光聚合物光纖

這種光纖包括PMMA光纖和PS光纖，以擠拉工藝制做，直徑一般在0.25～3mm，以可撓性好，成本低和易安裝的特點應用于汽車星空頂內飾氛圍燈，用做星空頂的光纖可直徑不同，以體現出遠近不同的層次感。如圖2：

3.2 側發(fā)光聚合物光纖

側發(fā)光光纖是指光纖傳輸過程中，光纖圓周面通體發(fā)光的光纖，亦稱通體發(fā)光光纖。它利用纖芯和纖皮折射率的差異，使更多的折射光透過纖皮溢出，從而達到側面通體發(fā)光的效果。有擠拉法和灌裝法兩種生產工藝。主要用于汽車內飾燈帶氛圍燈。如圖3：

優(yōu)點：（1）可撓性好，材料的塑性和硬度適中，可隨意任意方向彎曲，適合任何形狀的模具安裝。（2）導光呈連續(xù)性且亮度均勻，可通過調整原料透過率來調節(jié)使用長度范圍內的亮度均勻性。（3）耐候性好，以PU為纖芯的側發(fā)光光纖，抗高溫和低溫性能強，能滿足汽車內飾材料-40～95℃的相關標準要求。（4）耐腐蝕性好，由于纖皮材料使用了氟樹脂（鐵氟龍），其耐酸堿腐蝕性和耐鹽霧性能好，使用壽命可達10 年之久。（5）可任意裁切，即裁即用。裁切端面無需處理，使用更方便。（6）光纖芯皮材料符合安全環(huán)保要求。（7）成本低，應用廣。

缺點：（1）由于采用灌裝工藝方法制作，易產生直徑波動。（2）對金屬等剛性材料安裝固定件有一定的要求。（3）低溫下安裝操作易造成芯皮脫層，產生斑影，從而導致整體發(fā)光不均勻。（4）單芯光纖最小彎曲半徑大于多芯光纖，彎曲時會在彎曲部位產生光衰，影響光纖整體均勻性 。

3.3 側發(fā)光玻璃光纖

用于汽車氛圍燈的側發(fā)光玻璃光纖是由多根細如發(fā)絲（光纖直徑大約10?m）的玻璃光纖組成一束，外層包覆半透明套管制作而成，光纖直徑可以做到2.0mm以上，護套管為白色，目前用的較多的側發(fā)光玻璃光纖主要是德國肖特的產品。

優(yōu)點：（1）可撓性很好，可彎曲半徑小，不易造成彎曲光衰。適用于任意形狀的模具符合車規(guī)要求。（2）導光均勻性好；（3）耐候性好，以玻璃為纖芯，以PU或硅膠為外包層材料，抗高溫和低溫性能強，能滿足汽車內飾材料-40～95℃的相關標準要求。（4）耐腐蝕性好，由于外包層材料為PU或硅膠，其耐酸堿腐蝕性和耐鹽霧性能良好，使用壽命可達10 年以上。（5）符合安全環(huán)保要求。

缺點：（1）玻璃光纖材料成本高，按使用長度裁切的光纖需要對裁切端面進行適當處理來降低耦合損耗，因此制作成本高。（2）不可即裁即用，須按定長制作。（3）安裝使用過程中容易造成光纖內部斷絲，每一根斷絲便產生一個亮點，增加了衰減，導光均勻性被斷絲破壞。（4）由于是多芯光纖，每根光纖間的縫隙面積大約占光纖橫截面的15%，因此導光效率低，同一光源導光亮度比單芯聚合物光纖低。

4 汽車內飾氛圍燈常用光源

4.1 光源種類

2005年以前汽車裝飾照明采用光纖照明系統其光纖光源器也無別的選擇，只能選用鹵素燈或氙燈，這類光源體積大，熱量高，壽命短，長時間工作產生的熱量會帶來安全隱患。

2005年后LED燈迅速發(fā)展，LED以熱量少，體積小，壽命長等優(yōu)點，取代鹵素燈，成為汽車光纖照明的最佳光源，成為光纖在汽車上的應用主要光源配件，目前所有汽車氛圍燈的光源均采用LED光源。

4.2 光源發(fā)光顏色

LED燈最大的優(yōu)點是其色溫可控，基本上想用什么顏色都可以得到滿足，除了紅黃藍綠等彩色可選，白光LED也有不同色溫可選，給了燈光設計師無限的發(fā)揮空間；打造汽車座艙內舒適的燈光氛圍，對光源色溫的要求是應該是謹慎和嚴格的。

4.3 光源的功率

汽車氛圍燈作為車內輔助照明燈，其功率是一個重要性能指標，一般不宜過大，功率過大，LED芯片工作時熱量大，散熱解決不好的話會嚴重影響LED燈的壽命，功率過大駕艙內燈光過亮會干擾駕駛員安全駕駛，目前國內對氛圍燈亮度沒有統一標準要求，從前些年來諸多汽車制造商配套使用的氛圍燈光源的經驗看，選擇使用0.2W電功率貼片LED較為合適。

4.4 可變顏色

今天用的LED實現光源變色易如反掌，成熟的LED控制驅動器可以驅動RGB模式或是RGBW模式的LED，呈現出上百種光變化效果，滿足車內個性化的氛圍燈燈光效果。

5 星空頂氛圍燈的制作方法

星空頂氛圍燈最早出現在歐洲的一些高端車，小客車光纖星空頂的制作受工藝影響和飾板形狀與表面材料的影響，基本是全手工制作，目前國內一些廠商仍然延用這種方法，主要分以下幾個步驟：

（1）星空頂氛圍燈的設計：星空頂氛圍燈是照明系統，它的設計包括光點分布，光源控制模式的設計，光源的安裝及以光纖和線束的走向。

光點分布：有圖案式，無序式，星座式等。

光源控制模式：對光源顏色的控制，亮度的控制，光變化控制等。

光源安裝：要確定光源放置的位置和安裝方式，考慮光源的散熱和防水環(huán)境。

線束走向：要考慮易安裝和維修。

光纖走向：要考慮光纖集成一束后的最大直徑，就有足夠的夾層空間接入光源接口，光纖走向要對應光源接口。

（2）頂棚內飾面打孔：按1：1比例將圖案覆蓋到頂棚飾板上，用電鉆在圖案設計的光點上打孔，要選擇比光纖大0.1mm的直柄麻花鉆頭，打孔時應保持鉆頭垂直于飾板表面，不同大小的光點要替換不同直徑的鉆頭。

（3）插光纖：根據光點孔大小選用合適的光纖，把光纖一端剪成斜尖頭，蘸膠水1cm長，從飾板反面穿插于孔內，使光纖穿過飾板約1-2cm，待膠水固化后操作下一步。

（4）集束：將光纖按設定走向集成束，設定幾個光源就集成幾束。

（5）耦合處理：將集成束的光纖，插入光纖耦合端套，端套外多余的光纖用熱切割的方式切掉，再用打磨機將耦合套光纖表面打磨光滑，插入光源接口固定。

（6）光源安裝：接好光纖的光源按設定的位置和固定方式安裝固定，連接導線。

（7）飾板正面的處理：由于光纖穿插出飾板表面1—2cm，用剪刀將飾板正面長出的光纖剪掉，應確保光纖不高于飾板表面。

6 燈帶式光纖氛圍燈

6.1 側發(fā)光光纖應用于汽車氛圍燈的優(yōu)點

從光效果上看，光纖通體發(fā)光是連續(xù)的，其均勻性是其它導光材料不可比擬的；從安裝件考慮側發(fā)光光纖的安裝結構簡單，安裝方便，安裝件成本低，易操作；從后期維護看，因光纖導光效率高，光源功率不需要太高，即產生熱量少，使用壽命長，安全可靠，維護成本低。

6.2 側發(fā)光光纖應用于汽車內飾氛圍燈應注意的問題

側發(fā)光光纖作為氛圍燈的導光材料，使用中應該注意如下三個問題

6.2.1 如何提高光纖與LED光源的耦合效率

光纖與LED光源對接稱之耦合，耦合得越好光損耗越低，耦合效率越高，影響耦合效率的因素有三點，即光纖端面的平整光潔度，光纖與光源之間的距離，光源中心與光纖端面中心的同心度；因此提高耦合效率就要求光纖端面平整光潔，要求光纖端面與光源之間距離盡量少。

6.2.2 如何設計光纖的安裝支撐件

光纖安裝支撐件也稱之為安裝支架或安裝模具，也就是固定和支撐光纖氛圍燈的結構，一種方式設計成卡點式，即每隔一定距離設置一個卡子，這種固定光纖的方法使光纖圓周面全部裸露，光纖發(fā)出的光照射于反光面后亮度高且均勻，彌散光照效果好。另一種方式設計成卡槽式，即光纖放置于整條卡槽內，光纖圓周的光只有一面發(fā)出，其它三面被卡槽遮住，因此氛圍亮度會低一些。應該注意的是無論卡點式還是卡槽式支撐件，都要依據光纖直徑設計。如圖4：

6.2.3 聚合物光纖低溫下如何避免芯皮分離

聚合物光纖硬度受環(huán)境溫度影響較大，低溫時，光纖硬度增加，溫度越低硬度越高，一般環(huán)境溫度低于15℃時，彎曲和擠壓容易造成光纖芯皮分離，點亮光源后光纖表面亮度降低或產生陰影斑紋。 低溫下安裝光纖，最好先將光纖在溫箱預熱后使其柔軟性增加，從溫箱取出光纖后在光纖未完全冷卻變硬之前安裝操作完畢。

6.3 側發(fā)光光纖用于汽車氛圍燈的案例

側發(fā)光光纖應用于汽車氛圍燈已經有十多年的歷史了，早在2007年南京春輝科技實業(yè)有限公司的側發(fā)光聚合物光纖首次應用于安源客車，2010年德系車的部分高端車型使用了德國SCHOTT（肖特）公司的側發(fā)光玻璃光纖氛圍燈，隨后美系車使用了日本的側發(fā)光聚合物光纖，2012年上海通用公司開始在國內生產的小客車上使用了南京春輝科技實業(yè)有限公司自主研發(fā)的側發(fā)光聚合物光纖，2013年后國內眾多車企諸如吉利、眾泰、長安等眾多國產車型。

7 結語

光纖作為一種導光材料在汽車氛圍燈結構中充當著重要的角色，有著其它材料不可比擬的光學特點，已經廣泛應用于汽車、家電，家具、消費電子等各種產品中，光纖要適應汽車氛圍燈的要求并且得到更廣泛的應用還需要不斷創(chuàng)新，需要優(yōu)化現有產品，提升產品品質，需要推出性能更好，種類更多，使用壽命更長，安裝更便捷的產品，要在應用技術上創(chuàng)新和推廣，讓更多的人了解光纖，會用光纖，用好光纖，只有這樣，光纖在氛圍領域才能有更好的應用前景。

參考文獻：

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