光導設計參數對光強的影響研究

李虎強 韓紅亮

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

光導設計參數對光強的影響研究

李虎強 韓紅亮

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，長春 130011）

為提高汽車燈具中LED光導的光通利用率和發光均勻性，對齒高、齒寬、起始角、結束角、齒距等光導結構設計參數進行研究，利用SPEOS CAA V5光學設計軟件對一系列不同參數狀態下的光導進行光強模擬仿真。通過對仿真結果的分析，得到了各參數對光通利用率的影響趨勢，為工程設計人員的前期設計提供了參考。

1 前言

汽車燈具不僅為用戶提供良好的夜間照明及警示功能，同時也是體現主機廠造型特點、為消費者營造良好視覺效果的必備部件，光導在燈具上的廣泛應用能夠極大地滿足這種需求。光導技術的光通利用率和發光均勻性一直是設計者關注的重中之重，如何在LED芯片相同的情況下通過優化光導結構參數提高光照強度、改善光照均勻性成為了設計者研究的熱點。

目前，雖然很多生產廠家在燈具設計中采用了光導技術，但光導對LED光源的光通利用率低、發光不均勻的缺陷時有發生，因此，研究光導設計中各參數對光通利用率、發光均勻性的影響有著非常重要的意義。

2 光導的類型與光學原理

2.1 常用光導的結構形式

2.1.1 直線光導類

這類光導的外形一般為直線形或曲率較小的弧線形，光導花紋的光導齒間一般沒有間隙，可以保證較高的光利用率，具體形式及細節見圖1。

圖1 直線光導及細節

此類光導（見圖2）的結構與直線類光導相同，但光導的曲率很大，有時甚至為圓形。有研究表明[1]，彎曲損耗隨彎曲半徑R的減小而增大，故設計中光導的彎曲半徑不能過小，否則會使一部分光在彎曲處無法滿足全反射條件而射出光導，因此在曲率較大的區域，光導齒間一般設計間隔。

圖2 彎曲光導及細節

2.1.3 柔性光導類

直線類和彎曲類光導均為鋸齒形側面發光光導，其發光原理相同，僅是光導尺寸及光導齒參數不同而形成的不同表現形式的光導。與上述光導形式相比，柔性光導具有側面出光均勻、光利用率高、允許彎曲角度大等優點，但其成本偏高。柔性光導外層為透明塑料保護套，內部由多根直徑約70 μm的光纖密布排列組成（見圖3），每根光纖則由內部的玻璃纖心和外部的玻璃包層構成，而光導的側面發光是由于纖心和包層界面的散射核產生側面散射（見圖4）所致[1]。

圖3 柔性光導

圖4 單根光導纖維的散射

2.2 光導設計參數

本文主要研究直線類和彎曲類光導的設計。如圖5所示，光導設計的參數一般包括：齒高（h），即光導齒頂點與光導本體的距離；齒寬（L），即光導齒本身的寬度；齒距（s），即單個光導齒的長度；起始角（α），即單個光導齒上靠近光導光源一側的內角角度；結束角（β），即單個光導齒上遠離光導光源一側的內角角度。

圖5 光導設計參數

2.3 光導光學原理

光線在兩個均勻的各向同性透明介質中傳播時，在它們的介面上會發生反射和折射，如圖6所示。入射角α1、反射角α3和折射角α2之間的關系滿足反射定律和折射定律：

移民官(對譯員)：What does he mean by nominal age?(他說的虛歲是什么？)

式中，n1、n2分別為兩種介質的折射率。

當光線由折射率高的介質進入折射率低的介質時，α2＞α1，由于入射光中只有一部分被反射，另一部分被折射，所以反射光的強度總是小于入射光。當α1足夠大時，α2＞90°，即不發生折射，所有的入射光都被反射，反射光與入射光的強度相等，成為全反射。利用全反射原理，使得從一定角度進入光導體內的光線在光導傳播時一直發生全反射，然后從另一端射出，其間，通過調整影響光線傳播路徑的光導齒參數使光有規律地從光導管內沿著設計方向射出，形成光導。

圖6 光導的反射與折射（n1＞n2）

3 各參數對光導發光效率的影響

3.1 直線類光導3D模型

本文分析使用的光導均采用圖7光導模型，僅對光導齒的參數進行調整研究。

圖7 光導模型

3.2 齒高

齒高分別設定為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，其他參數的設置見表1，進行4次模擬。

表1 齒高變化條件下其他光導齒參數設置

光導材料的體屬性選用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），折射率為1.489，面屬性采用光學拋光，對可見光無吸收率，以降低模擬難度。光強傳感器設定為水平方向±62.5°，垂直方向±15°。

LED光源型號為OSRAM TOPLED LS_E63F，功率為0.15 W，光的分布主要集中在0°～15°范圍內，較小的出光角有助于光的充分利用。

光導條齒高為1 mm時光強模擬結果如圖8所示，由圖8可知，光導中間偏LED側是光強的極值點，這是在所有光導齒參數相同時，靠近LED光源處獲得的光能量較多且反射的光線較多造成的。取所有光導齒反射的光強的平均值對光導反射能力作整體評估，不同齒高條件下的發光強度如圖9所示。

圖8 光強模擬結果示意

圖9 齒高對光強的影響

由圖9可知，在光導其它參數不變的情況下，單個光導齒越高，獲得的平均光強越高，光導的光通利用率越高。但光導齒高度有上限要求，有關研究表明，光導齒高度不應超過光導直徑的1/20，否則光導齒會產生陰影效應[2]，光效反而降低。

3.3 齒寬

齒寬分別設定為4 mm、5 mm、6 mm，其他參數的設置見表2，進行3次模擬。光導的材料屬性和面屬性不變，光強傳感器設定、LED型號相同。

表2 齒寬變化條件下其他光導齒參數設置

不同齒寬條件下的發光強度如圖10所示，光強隨著光導齒寬度的增加而增大，因此，在工藝允許的條件下，光導齒越寬，對光的利用率越高，能夠獲得更多的側面發光[3]。

圖10 齒寬對光強的影響

3.4 起始角

起始角分別設定為30°、45°、75°，其他參數的設置見表3，進行3次模擬。光導的材料屬性和面屬性不變，光強傳感器設定、LED型號相同。

表3 起始角變化條件下其他光導齒參數設置 mm

不同起始角條件下的發光強度如圖11所示，起始角越大，結束角越小，光導側面發光效率越高。此外，不同起始角條件下的光強分布如圖12所示，由圖12可知，起始角決定光導側面發光的出光方向，出光集中方向隨著起始角的變大而隨出光方向順時針移動。

圖11 齒高對光強的影響

圖12 不同起始角的光強分布

3.5 齒距

光導齒密度越大、齒距越小，側面發光光效率顯然越高，因此，光導齒距對發光效率的影響關系，不再進行軟件仿真分析。

4 參數優化后的光導仿真

通過上面幾個方面的分析和仿真，得出了光導設計參數對側面出光效率的影響關系，能夠指導光導在設計時參數的具體設置方法；而光導設計中重要考慮因素不僅有光導的側面發光效率，從美觀性考慮，更加注重整個光導的發光均勻性，即光導點亮后不能出現亮度高亮或低暗的區域。

顯然，如果光導在各個點的參數均一致，由于靠近光源側的光入射率高，能量損失小，靠近光源側的光導出光光強會很高，而距離光源遠端的光導出光光強很快變弱，光導各點處光導齒參數一致的亮度仿真結果如圖13所示，符合預估。

The Research on the Influence of Light Guide Design Parameters on Light Intensity

Li Huqiang,Han Hongliang
（China FAW Corporation Limited R&D Center,Changchun 130011）

In order to improve light flux and illumination homogeneity of car LED light guide,some structural design parameters of light guide,including tooth height,tooth width,start angle,end angle and pitch,were studied,and optical design software,SPEOS CAA V5,was applied to make light intensity simulation for light guide under a series of different parameters.The simulation result was analyzed,and the influence trend of different parameters on light flux utilization ratio was obtained,which provided a reference to primary design for light designers.

Car LED lights guide,Light intensity,Homogeneity,Tooth height,Tooth width

車燈光導 光強 均勻性 齒高 齒寬

U463.65+1

A

1000-3703（2016）12-0012-04