lightguideing导光柱设计指南.docx

Light Guide Techniques 导光技术Using LED Lamps 使用LED 光源Fresnel Loss菲涅耳损耗：当光线通过交 界面从一种介质进入另一种介质时，光线 会因为在交界面上产生反射而产生损耗， 如图2所示这种损耗称作菲涅耳损耗，可 以用下面的公式进行计算：对于光线从塑料射入空气和从玻璃射入空 气这两种情况下菲涅耳损耗都是4%当光线从折射率低的介质进入折射率高的 介质时，折射角ef会小于入射角e i,相 反，折射角ef会大于入射角e i，如图3所 示光线穿过一个表面平行的塑料(玻璃) 板图2Application Brief I-003导光柱是什么 导光柱就是将光以最小的损耗从 一个光源传输到距离该光源一定 距离的另一个点的装置光线是依靠全内反射在导光柱内 部传输的导光柱通常是采用光学材料制 成，如：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、 环氧树脂和玻璃导光柱可以用来将PCB上LED的光 传输到产品面板上来显示相关的 状态，也可以聚集和指引光线用 做LCD显示屏的背光，同时也可以 用来照亮在透过式窗口上的图 案这篇文章论述了简单的导光柱的 设计方法以适应这样或那样的应 用。

基本原理Snell定律：当光线入射到两种不 同的介质的交界面时，例如塑料 和空气，光线会在通过这个交界 面时产生折射，如图1所示光线 射入这个交界面的角度叫做入射 角0i,光线离开交界面的角度叫 折射角e fSnell定律：ni*sin

当光线在导光柱内与导光柱表面的入射角达到 或大于42°时，将会在导光柱内部完全反射 临界角小于45°的材料都非常适合用来制作导 光柱，因为用这种材料可以制作成45°角反射面 的导光柱光线跟踪法：光线跟踪法可以用来分析和跟踪光 线进入'穿过和射出一个导光柱的路径Snell 定律、菲涅耳损耗和镜面反射定律可以应用在所 有导光柱表面的光线传播方向的分析上这篇文章中应用光线追踪法来举例说明如何进导光柱设计 在进行导光柱设计时首先需 要考虑3个问题：1） 有效的光通量耦合，以保证LED灯发射出的光线以最小的损耗进入导光柱内部2） 如何将光线通过导光柱传输到输出端3） 如何让光线以最小的损耗从输出端射出将LED光线耦合进导光柱内： 在保证LED射出的光线有效的被传输和 利用之前，必须首先保证它被有效的耦 合进导光柱的进入端，光线应当以最小 的损耗被导光柱所捕获通常情况下，如果LED在导光柱的外部, 并且与导光柱之间有空气间隙时光线的 耦合和捕获效率是较低的，相反，如果 LED处于导光柱表面空气的交界面内部 时，效率是最高的当LED在导光柱外部时，如图5所示，在 这种情况下只有在LED指示灯的光行导光柱的设计。

线辐射角与导光柱的光线接收角相匹配的情 况下耦合效率才会较高因此很难做到高效的 光耦合，绝大部分LED产生的光都会损失掉在这样的结构设计下只有小于10%的光通量能 被耦合进导光柱内在这种情况下如果采用一个凸透镜将LED输出 的光线进行聚焦后耦合到导光柱内，如图6所 示，并且聚焦后的光线刚好与导光柱输入端相 匹配的话，光线捕获率可以达到80%但是这 样的设计需要能够精确控制透镜与LED和导光 柱之间的距离以保证正确的焦距，无疑会增加 产品的成本导光柱最佳最有效的设计就是将LED固 定到导光柱的内部，如图7a所示在这 种结构中LED是植入导光柱内部的，LED 发出的所有光线全部会被导光柱所捕 获，考虑到LED与导光柱之间存在空气间 隙而产生的菲涅耳损耗，光线捕获率可 以达到92%这种设计推荐应用在圆顶封 装的LED如T-13/4、T-1和微型LED上图5图6图7a LED定位在导光柱内部以获得最高的光线捕获率图7b如果将LED用光学环氧胶粘合到导光 柱内部，如图7b所示，LED与导光柱之 间将没有空气间隙因此也就没有菲涅 耳损耗，光线捕获率将会达到100% 在绝大部分导光柱的应用中，这种方 法既是不实际的也是不必要的。

本篇文章中所有推荐的导光柱设计都 是以假设LED与导光柱之间存在空气 间隙为前提的导光柱的物理特质： 导光柱外表面的光滑是导光柱正常工 作的重要保证，如图8所示导光柱平行于光线传播方向的侧壁应 当非常光滑，像镜子一样，这样光线 才能够在其表面产生完全内反射 导光柱的侧壁可以涂上白色反光涂料 以反射角度小于临界角的光线，否则 这些光线将会从导光柱侧壁逃逸到空 气中造成损耗导光柱的入口应当光 滑并与LED外形匹配以保证高效的捕 获LED的光线，保证光线以最小的反射 和散射进入导光柱内部导光柱的出口应当是散射的，一个散射 的出口端在其表面具遍布随机的临界角 以保证光线可以从导光柱内部逃逸出 来，同时将光线以极宽的角度散射出去， 这样不论从哪个角度看过去导光柱的出 口端都是亮的导光柱可以制作成任何形状，圆柱形、 方形、锥形（尺寸从入口到出口逐渐增 加）或任何特殊形状（箭头、星型、半对于矩形和特殊形状的导光柱，其拐角必须是圆角，半径不小于，不能有尖角， 图8 导光柱的基本特征，图中是一个从圆形输入端渐变到方形输出端的导光柱 以保证拐角处的照明导光柱的形状应当沿着其长度逐渐变化，例如从入口处与LED相匹配的圆形到出口处的正方形应当如图8所示逐渐变化。

适应不同种类LED的导光柱入口：导光柱的入口应当光滑并且平坦或者内 凹并匹配LED的外形以保证高效的耦合 和捕获光线对于贴片LED其发光区域是平坦的表面， 导光柱的输入端应当做成光滑的与LED 表面平行的平面，导光柱输入端贴近LED 以提高光通量耦合效率，如图9所示导 光柱的输入端需要比LED的发光面略大 以保证捕获92%的光线图9贴片LED导光柱 效提高光通量的捕获率，如图10所示 大约70%-80%的光量可以被导光柱捕 获，光量的损失减小到20%至30% 这种内凹的设计可以应用于任何导光 柱与LED的组合以提高光通的耦合率 和光线捕获能力在图11中，这种下沉式贴片LED是设计 用来将光照射至PCB板的反面的这种 LED定位在PCB上的孔中央，相比于表 面贴片LED，内凹的导光柱可以捕获更 多的光量图10光滑内凹输入端的导光柱将提高光线捕获能力贴片LED的封装一般是立方体，光线是发 散的，既从顶部射出也从侧面射出只 有40%的光是从LED顶部射出的，另外60% 的光是从LED侧面射出的因此，对于这 种输入端是平面的导光柱来说只有40% 的光可以被导光柱捕获，其余的光通量 就损失掉了一个具有光滑内凹输入端的导光柱将有图12 T-1 3/4 LED插入导光柱输入端以获得更高的光通量耦合对于T-1 3/4的彩色扩散LED，LED插入导 光柱输入端的最小深度应当保证LED反 光杯以上的部分全部插入导光柱的输入 端内，以保证光通量的耦合效率，如图 12所示。

这样可以保证92%的耦合效率如果想获得最佳的耦合效率，推荐将整 个LED从底面以上全部插入导光柱内部对于T-1 3/4 LED，导光柱输入端孔径应 当在至，孔的末端应当是光滑的球型穹 面最小孔深以保证LED的最小插入深大，以保证92%的光能够被捕获导光柱的散射输出端：散射的输出端 能够使导光柱内的光线以随机的角度 入射到导光柱与空气的交界面上，以 保证光线在这个面上能够较容易的逃 脱出去从这个表面逃逸的光线以随机的角度 射出从而形成一个宽角度的照射范 围，如图14所示度，最小孔深以保证LED完全插入导光柱 内图13条形LED光源的导光柱对于T-1 LED，孔径应当在至这种LED 必须完全插入导光柱内才能获得较高的 光通量耦合，导光柱最小孔深对于长条形的LED也可以作为导光柱的 光源，这种LED具有较大面积的平面发光 区域因此，为保证最佳的耦合效率， 导光柱的输入端也应当是光滑的平面， 并且靠近和覆盖光源的整个发光表面， 如图13所示导光柱的输入端面积应当比光源面积略图14导光柱的散射表面导光柱的拐角 导光柱可能需要弯曲成直角，为 了减小光线的损耗，弯曲半径应 当大于等于导光柱厚度的2倍（方 形导光柱）或导光柱直径的2倍 （圆柱形导光柱）。

光线沿着光滑的弯曲面反射而没 有损耗产生，如图15所示图15 90°平滑弯曲的导光柱图16带有45°反光镜的导光柱如果导光柱只能做成急速的90° 转角，则可以在其转角处制作一 个反射镜来改变光的方向，如图 16所示。