導(dǎo)光柱就是將光以最小的損耗從一個(gè)光源傳輸?shù)骄嚯x該光源一定距離的另一個(gè)點(diǎn)的裝置。

光線是依靠全內(nèi)反射在導(dǎo)光柱內(nèi)部傳輸?shù)摹?/p>

導(dǎo)光柱通常是采用光學(xué)材料制成，如：丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、環(huán)氧樹脂和玻璃。

導(dǎo)光柱可以用來(lái)將PCB上LED的光傳輸?shù)疆a(chǎn)品面板上來(lái)顯示相關(guān)的狀態(tài)，也可以聚集和指引光線用做LCD顯示屏的背光，同時(shí)也可以用來(lái)照亮在透過(guò)式窗口上的圖案。

(1) 選定合適的導(dǎo)光柱材料

原則上盡量選用透光率高的材料，從下表1 可以看出：透明ABS、AS、PC的透光率相當(dāng)，對(duì)遙控距離和角度的影響相差不大，實(shí)驗(yàn)A 的結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論。在注塑特性上,AS易粘模，脆性大，如選用此材料，要留意出模角度和頂出位置。目前我公司使用的導(dǎo)光柱大部分為性能較好的PMMA 材料。

表一 各種材料的性能對(duì)比

2、導(dǎo)光柱的工作原理及相關(guān)理論

2.1、光線的反射和折射

2.1.1、光的折射定律(菲涅耳定律)

光線入射到不同介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射和折射。必然會(huì)產(chǎn)生一束反射光線，光線也會(huì)在通過(guò)這個(gè)交界面時(shí)產(chǎn)生折射，如圖所示。其中入射光；折射光和法線位于同一個(gè)平面上，并且與界面法線的夾角滿足如下關(guān)系。光線射入這個(gè)交界面的角度叫做入射角θi，光線離開交界面的角度叫折射角θf(wàn)。

斯涅爾定律：nisinθi= nfsinθf(wàn)

其中：

ni 和nf 分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率；

θi 和θf(wàn) 分別是入射角和折射角。

斯涅爾定律規(guī)定:第一種介質(zhì)的折射率ni乘以入射角θi的正弦值，等于第二種介質(zhì)的折射率nf乘以折射角θf(wàn)的正弦值。

2.1.2、光的反射定律

光線的入射角θi與反射角θr相等，折射角θf(wàn)小于入射角θi，如圖所示。

2.1.3、菲涅耳損耗

當(dāng)光線通過(guò)交界面從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，光線會(huì)因?yàn)樵诮唤缑嫔袭a(chǎn)生反射而產(chǎn)生損耗，如圖所示。這種損耗稱作菲涅耳損耗，可以用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

菲涅耳損耗=100×[（ni-nf）/（ni+nf）] 2

當(dāng)光從空氣進(jìn)入玻璃或透明塑料（PMMA；PC；AS）時(shí)：

菲涅耳損耗=100×[（1.50-1.00）/（1.50+1.00）] 2=4%

反之，當(dāng)光從玻璃或透明塑料（PMMA、PC、AS）進(jìn)入空氣時(shí),同樣損失4％。

當(dāng)光線從折射率低的介質(zhì)進(jìn)入折射率高的介質(zhì)時(shí)，折射角φf(shuō)會(huì)小于入射角φi，相反，折射角φf(shuō)會(huì)大于入射角φi，如圖所示光線穿過(guò)一個(gè)表面平行的塑料（玻璃）板。

2.2、全反射

當(dāng)光線經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí)，部份的光線會(huì)于介質(zhì)的界面被折射，其余的則被反射。但是，當(dāng)入射角比臨界角大時(shí)（光線遠(yuǎn)離法線），光線會(huì)停止進(jìn)入另一介質(zhì)，會(huì)全部向內(nèi)面反射(見(jiàn)下圖)。

發(fā)生全反射的條件：

(1)、光從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)；例如當(dāng)光線從玻璃進(jìn)入空氣時(shí)會(huì)發(fā)生；

(2)、入射角大于臨界角。

當(dāng)折射角等于90°時(shí)，入射光將會(huì)折射并沿著兩種介質(zhì)的交界面?zhèn)鞑?，如圖所示。

這時(shí)sinφf(shuō)(90°) =1.0，因此斯涅爾定律就簡(jiǎn)化成ni*sinφi=nf。這個(gè)公式可以用來(lái)計(jì)算產(chǎn)生完全內(nèi)反射的臨界入射角φc：

Sinφc=nf/ni

空氣的折射率為1.0，所以上式中的nf=1.0，因此只要知道導(dǎo)光柱所采用的介質(zhì)的折射率就能夠迅速計(jì)算出這種介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生完全內(nèi)反射的臨界入射角。

對(duì)于絕大多數(shù)的塑料和玻璃，它們的折射率約為1.50，因此，對(duì)于采用這兩種材質(zhì)制成的導(dǎo)光柱的完全內(nèi)反射臨界角約為42°。

Sinφc=1.0/1.50=0.667

導(dǎo)光柱內(nèi)部與外界空氣的交界面上產(chǎn)生的鏡面反射可以用來(lái)幫助在導(dǎo)光柱內(nèi)傳輸光線。

當(dāng)光線在導(dǎo)光柱內(nèi)與導(dǎo)光柱表面的入射角達(dá)到或大于42°時(shí)，將會(huì)在導(dǎo)光柱內(nèi)部完全反射。

臨界角小于45°的材料都非常適合用來(lái)制作導(dǎo)光柱，因?yàn)橛眠@種材料可以制作成45°角反射面的導(dǎo)光柱。

光線跟蹤法：光線跟蹤法可以用來(lái)分析和跟蹤光線進(jìn)入、穿過(guò)和射出一個(gè)導(dǎo)光柱的路徑。斯涅爾定律、菲涅耳損耗和鏡面反射定律可以應(yīng)用在所有導(dǎo)光柱表面的光線傳播方向的分析上。

3、導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)

在進(jìn)行導(dǎo)光柱設(shè)計(jì)時(shí)首先需要考慮3個(gè)問(wèn)題：

1)、有效的光通量耦合，以保證LED燈發(fā)射出的光線以最小的損耗進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部；

2)、如何將光線通過(guò)導(dǎo)光柱傳輸?shù)捷敵龆耍?/p>

3)、如何讓光線以最小的損耗從輸出端射出；

3.1、將LED光線耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)

在保證LED射出的光線有效的被傳輸和利用之前，必須首先保證它被有效的耦合進(jìn)導(dǎo)光柱的進(jìn)入端，光線應(yīng)當(dāng)以最小的損耗被導(dǎo)光柱所捕獲。

通常情況下，如果LED在導(dǎo)光柱的外部，并且與導(dǎo)光柱之間有空氣間隙時(shí)光線的耦合和捕獲效率是較低的，相反，如果LED處于導(dǎo)光柱表面空氣的交界面內(nèi)部時(shí)，效率是最高的。

當(dāng)LED在導(dǎo)光柱外部時(shí)，如圖所示，在這種情況下只有在LED指示燈的光線輻射角與導(dǎo)光柱的光線接收角相匹配的情況下耦合效率才會(huì)較高。因此很難做到高效的光耦合，絕大部分LED產(chǎn)生的光都會(huì)損失掉。

在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下只有小于10%的光通量能被耦合進(jìn)導(dǎo)光柱內(nèi)。

在這種情況下如果采用一個(gè)凸透鏡將LED輸出的光線進(jìn)行聚焦后耦合到導(dǎo)光柱內(nèi)，如圖所示，并且聚焦后的光線剛好與導(dǎo)光柱輸入端相匹配的話，光線捕獲率可以達(dá)到80%。但是這樣的設(shè)計(jì)需要能夠精確控制透鏡與LED和導(dǎo)光柱之間的距離以保證正確的焦距，無(wú)疑會(huì)增加產(chǎn)品的成本。

導(dǎo)光柱最佳最有效的設(shè)計(jì)就是將LED固定到導(dǎo)光柱的內(nèi)部，如圖所示。在這種結(jié)構(gòu)中LED是植入導(dǎo)光柱內(nèi)部的，LED發(fā)出的所有光線全部會(huì)被導(dǎo)光柱所捕獲，考慮到LED與導(dǎo)光柱之間存在空氣間隙而產(chǎn)生的菲涅耳損耗，光線捕獲率可以達(dá)到92%。

如果將LED用光學(xué)環(huán)氧膠粘合到導(dǎo)光柱內(nèi)部，如圖所示，LED與導(dǎo)光柱之間將沒(méi)有空氣間隙因此也就沒(méi)有菲涅耳損耗，光線捕獲率將會(huì)達(dá)到100%。在絕大部分導(dǎo)光柱的應(yīng)用中，這種方法既是不實(shí)際的也是不必要的。

3.2、導(dǎo)光柱的物理特質(zhì)：

導(dǎo)光柱外表面的光滑是導(dǎo)光柱正常工作的重要保證，如圖所示。圖中是一個(gè)從圓形輸入端漸變到方形輸出端的導(dǎo)光柱。

導(dǎo)光柱平行于光線傳播方向的側(cè)壁應(yīng)當(dāng)非常光滑，像鏡子一樣，這樣光線才能夠在其表面產(chǎn)生完全內(nèi)反射。

導(dǎo)光柱的側(cè)壁可以涂上白色反光涂料以反射角度小于臨界角的光線，否則這些光線將會(huì)從導(dǎo)光柱側(cè)壁逃逸到空氣中造成損耗。導(dǎo)光柱的入口應(yīng)當(dāng)光滑并與LED外形匹配以保證高效的捕獲LED的光線，保證光線以最小的反射和散射進(jìn)入導(dǎo)光柱內(nèi)部。

導(dǎo)光柱的出口應(yīng)當(dāng)是散射的，一個(gè)散射的出口端在其表面具遍布隨機(jī)的臨界角以保證光線可以從導(dǎo)光柱內(nèi)部逃逸出來(lái)，同時(shí)將光線以極寬的角度散射出去，這樣不論從哪個(gè)角度看過(guò)去導(dǎo)光柱的出口端都是亮的。

導(dǎo)光柱可以制作成任何形狀，圓柱形、方形、錐形（尺寸從入口到出口逐漸增加）或任何特殊形狀（箭頭、星型、半月形等等）

對(duì)于矩形和特殊形狀的導(dǎo)光柱，其拐角必須是圓角，半徑不小于0.5mm，不能有尖角，以保證拐角處的照明。

導(dǎo)光柱的形狀應(yīng)當(dāng)沿著其長(zhǎng)度逐漸變化，例如從入口處與LED相匹配的圓形到出口處的正方形應(yīng)當(dāng)如圖所示逐漸變化。

3.3、適應(yīng)不同種類LED的導(dǎo)光柱入口：

導(dǎo)光柱的入口應(yīng)當(dāng)光滑并且平坦或者內(nèi)凹并匹配LED的外形以保證高效的耦合和捕獲光線。

對(duì)于貼片LED其發(fā)光區(qū)域是平坦的表面，導(dǎo)光柱的輸入端應(yīng)當(dāng)做成光滑的與LED表面平行的平面，導(dǎo)光柱輸入端貼近LED以提高光通量耦合效率，如圖所示。導(dǎo)光柱的輸入端需要比LED的發(fā)光面略大以保證捕獲92%的光線。

貼片LED的封裝一般是立方體，光線是發(fā)散的，既從頂部射出也從側(cè)面射出。只有40%的光是從LED頂部射出的，另外60%的光是從LED側(cè)面射出的。因此，對(duì)于這種輸入端是平面的導(dǎo)光柱來(lái)說(shuō)只有40%的光可以被導(dǎo)光柱捕獲，其余的光通量就損失掉了。

一個(gè)具有光滑內(nèi)凹輸入端的導(dǎo)光柱將有效提高光通量的捕獲率，如圖所示。

大約70%-80%的光量可以被導(dǎo)光柱捕獲，光量的損失減小到20%至30%。

這種內(nèi)凹的設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于任何導(dǎo)光柱與LED的組合以提高光通的耦合率和光線捕獲能力。

3.4、導(dǎo)光柱的散射輸出端：

散射的輸出端能夠使導(dǎo)光柱內(nèi)的光線以隨機(jī)的角度入射到導(dǎo)光柱與空氣的交界面上，以保證光線在這個(gè)面上能夠較容易的逃脫出去。

從這個(gè)表面逃逸的光線以隨機(jī)的角度射出從而形成一個(gè)寬角度的照射范圍，如圖所示。

3.5、導(dǎo)光柱的拐角

導(dǎo)光柱可能需要彎曲成直角，為了減小光線的損耗，彎曲半徑應(yīng)當(dāng)大于等于導(dǎo)光柱厚度的2倍（方形導(dǎo)光柱）或導(dǎo)光柱直徑的2倍（圓柱形導(dǎo)光柱）。

光線沿著光滑的彎曲面反射而沒(méi)有損耗產(chǎn)生，如圖所示。

如果導(dǎo)光柱只能做成急速的90°轉(zhuǎn)角，則可以在其轉(zhuǎn)角處制作一個(gè)反射鏡來(lái)改變光的方向，如圖所示。