Light-Guideing导光柱设计指南

Light Guide Techniques导光技术Using LED Lamps使用LED光源Application 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φi，光线离开交界面的角度叫折射角φf Snell定律：ni*sinφi = nf*sinφf
图1
Snell定律规定:
第一种介质的折射率ni乘以入射角φi的
正弦值，等于第二种介质的折射率nf乘以
折射角φf的正弦值。

镜面反射定律：镜面反射定律是这样定
义的，光线的入射角与反射角相等，如
图2所示，镜面反射光线是没有损耗的。

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φf会小于入射角φi，相反，
折射角φf会大于入射角φi，如图3所示光线
穿过一个外表平行的塑料〔玻璃〕板。

图
2
图3 图4 完全内反射：当折射角等于90°时，入射光将会折射并沿着两种介质的交界面传播，如图4所示。

这时sin φf (90°) = 1.0，因此Snell定律就简化成ni*sin φi = nf. 这个公式可以用来计算产生完全内反射的临界入射角φc：
空气的折射率为1.0，所以上式中的nf = 1.0，因此只要知道导光柱所采用的介质的折射率就能
够迅速计算出这种介质内产生完全内反射的临
界入射角.
对于绝大多数的塑料和玻璃，它们的折射率约为1.50，因此，对于采用这两种材质制成的导光柱的完全内反射临界角约为42°
导光柱内部与外界空气的交界面上产生的镜面
反射可以用来帮助在导光柱内传输光线。

当光线在导光柱内与导光柱外表的入射角到达
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外表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
行导光柱的设计。

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处于导光柱外表空气的交界面内部
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
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，光线捕获率可以到达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。

导光柱最正确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，光线捕获率可以到达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。

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，光线捕获率将会到达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：
导光柱外外表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外表产生完全内反射。

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外表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，这样不管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、半月形等等〕
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
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0.5mm，不能有尖角，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外表，导光柱的输入端应当做成光滑的与LED外表平行的平面，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
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
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，相比于外
表贴片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
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。

如果想获得最正确的耦合效率，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5.33mm至5.59mm，孔的末端应当是光滑的球型穹面。

最小孔深5.33mm以保证LED的最小插入深度，最小孔深
8.31mm以保证LED完全插入导光柱内。

对于T-1 LED，孔径应当在3.30mm至3.43mm。

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2.165mm。

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，为保证最正确的耦合效率，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外表，如图13所示。

导光柱的输入端面积应当比光源面积略大，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。

从这个外表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。

图13 条形LED光源的导光柱
图14 导光柱的散射外表
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。

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。

图15 90°平滑弯曲的导光柱
图16 带有45°反光镜的导光柱。