导光柱设计指南

导光柱设计指南1、何为导光柱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。(1)选定合适的导光柱材料原则上尽量选用透光率高的材料，从下表1可以看出：透明ABS、AS、PC的透光率相当，对遥控距离和角度的影响相差不大，实验A的结果也验证了这一结论。在注塑特性上,AS易粘模，脆性大，如选用此材料，要留意出模角度和顶出位置。目前我公司使用的导光柱大部分为性能较好的PMMA材料。表一各种材料的性能对比塑料名称透光率（%）折射率成型特性ABS(透明)891.52易成型AS（SAN）901.56易粘模，脆性PC901.51易成型PMMA931.49易成型2、导光柱的工作原理及相关理论2.1、光线的反射和折射2.1.1、光的折射定律(菲涅耳定律)光线入射到不同介质的界面上会发生反射和折射。必然会产生一束反射光线，光线也会在通过这个交界面时产生折射，如图所示。其中入射光；折射光和法线位于同一个平面上，并且与界面法线的夹角满足如下关系。光线射入这个交界面的角度叫做入射角θi，光线离开交界面的角度叫折射角θf。斯涅尔定律：nisinθi=nfsinθf其中：ni和nf分别是两个介质的折射率；θi和θf分别是入射角和折射角。斯涅尔定律规定:第一种介质的折射率ni乘以入射角θi的正弦值，等于第二种介质的折射率nf乘以折射角θf的正弦值。2.1.2、光的反射定律光线的入射角θi与反射角θr相等，折射角θf小于入射角θi，如图所示。2.1.3、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：菲涅耳损耗=100×[（ni-nf）/（ni+nf）]²当光从空气进入玻璃或透明塑料（PMMA；PC；AS）时：菲涅耳损耗=100×[（1.50-1.00）/（1.50+1.00）]²=4%反之，当光从玻璃或透明塑料（PMMA、PC、AS）进入空气时,同样损失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，如图所示光线穿过一个表面平行的塑料（玻璃）板。2.2、全反射当光线经过两个不同折射率的介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其余的则被反射。但是，当入射角比临界角大时（光线远离法线），光线会停止进入另一介质，会全部向内面反射(见下图)。发生全反射的条件：(1)、光从折射率大的介质射入折射率小的介质；例如当光线从玻璃进入空气时会发生；(2)、入射角大于临界角。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，如图所示。这时sinφf(90°)=1.0，因此斯涅尔定律就简化成ni*sinφi=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：Sinφc=nf/ni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°。Sinφc=1.0/1.50=0.667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。斯涅尔定律、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。3、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；3.1、将LED光线耦合进导光柱内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，如图所示。3.5、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