民用飛機(jī)新型光觸媒凈化裝置的光學(xué)特性

張絮涵，汪光文，史喬升，曹 祎，張 存

(中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司，上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 201210)

引言

光觸媒(或光催化法)是指將TiO2等光催化劑以一定形式負(fù)載至吸附劑基材上，制得的固定化TiO2復(fù)合體在一定波長光線照射下降解氣相或液相污染物的方法[1]。光催化反應(yīng)降解室內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds，VOC)的本質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，只有波長小于380 nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴，導(dǎo)致VOCs的氧化分解[2]。所以光觸媒凈化裝置中必不可少的部件之一是發(fā)射紫外光的光學(xué)部件。在一種新型飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中，將紫外光發(fā)光二極管(ultraviolet light emitting diode，UV-LED)與導(dǎo)光板集成，以獲得均勻有效的紫外光面光源，并具備耗電量低、發(fā)熱量低、體積小、堅固耐用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

導(dǎo)光板的形狀、材料及網(wǎng)點(diǎn)排布組成決定了導(dǎo)光板的表面照度、均勻性及出光效率[3]。福州大學(xué)徐勝[4]和黃炳樂[5]研究了不同參數(shù)(光源與導(dǎo)光板距離、導(dǎo)光板厚度、網(wǎng)點(diǎn)披覆率)對液晶顯示器中LED背光源的亮度、均勻度和出光效率的影響；蘇州大學(xué)的李曉建[6]和復(fù)旦大學(xué)的舒?zhèn)7]從光出射效率函數(shù)的角度理論分析了液晶顯示器LED背光模組中光源距離和網(wǎng)點(diǎn)高度對出光效率的影響；華僑大學(xué)戴文海[8]研究了發(fā)光鍵盤導(dǎo)光板中導(dǎo)光板厚度和光源距離對光耦合效果的影響；暨南大學(xué)張軍和郭丹等[9]研究了手機(jī)側(cè)背光楔形導(dǎo)光板在不同網(wǎng)點(diǎn)排布、不同楔形導(dǎo)光板底面角度及不同球缺形凸包網(wǎng)點(diǎn)對出光性能的影響；華僑大學(xué)黃明波等[10]、李建功等[11]和廣州大學(xué)周英初等[12]分別對異形導(dǎo)光板(圓形或圓環(huán))的網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計與仿真。

綜上所述，目前對于導(dǎo)光板類面光源光學(xué)特性的研究主要集中在某種特定用途的導(dǎo)光板(如液晶顯示器LED背光模組、LED平板燈、異形導(dǎo)光板等)，導(dǎo)光板尺寸以長寬比<2的方形為主，LED點(diǎn)光源入射方式以單側(cè)入光為主。飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置的特殊構(gòu)型使得導(dǎo)光板限制為窄長型(長寬比≥4)、兩端入光的形式，且LED點(diǎn)光源的波長需小于380 nm(即UV-LED)。現(xiàn)有資料中并沒有對這種形式光學(xué)部件的光學(xué)特性研究。本文針對這一問題，建立了一種新型飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中光學(xué)部件的光學(xué)模型，并實驗驗證了仿真結(jié)果。基于光學(xué)仿真模型，研究了導(dǎo)光板厚度不同、點(diǎn)光源與導(dǎo)光板入光端面間距不同、網(wǎng)點(diǎn)高度不同、以及網(wǎng)點(diǎn)直徑不同時的光學(xué)特性。

1 光學(xué)部件結(jié)構(gòu)及網(wǎng)點(diǎn)陳列

根據(jù)飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置的設(shè)計，光學(xué)部件其中一組套件的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)光板尺寸為210 mm×49.5 mm×3.5 mm(長×寬×厚)。導(dǎo)光板兩端各安裝有三盞電功率為1 W的貼片式UV-LED，其波長為365 nm。

圖1 光學(xué)部件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖[13]Fig.1 Design framework of the optical component

針對窄長型導(dǎo)光板，能夠獲得均勻出光的網(wǎng)點(diǎn)需設(shè)計為非均勻布置形式，且保證導(dǎo)光板中段設(shè)置較大密度的網(wǎng)點(diǎn)，兩端設(shè)置較小密度的網(wǎng)點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)密度建議值10%～40%[4]，設(shè)計導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)半徑0.5 mm，網(wǎng)點(diǎn)陣列按高斯方程非均勻分布并平滑化處理，如圖2所示。

圖2 非均勻網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計陣列示意圖[13]Fig.2 Design of non-uniform dot array

2 光學(xué)仿真及結(jié)果

本文采用“普適光線追跡”技術(shù)，并基于蒙特卡洛算法對該光學(xué)部件進(jìn)行光學(xué)模擬。其中，UV-LED光源假定為理想朗伯體，根據(jù)實際光源參數(shù)設(shè)置光通量為700 mW，波長365 nm。光學(xué)追跡時，按單盞燈35 000條光線(6盞燈共210 000條光線)求取結(jié)果。導(dǎo)光板材料為PMMA。為獲得全反射效果，導(dǎo)光板上五個表面(除出光面以外)的面屬性均設(shè)置為Perfect Mirror(完美鏡面)。導(dǎo)光板上方設(shè)置一塊完全吸收的觀察板，用以觀察導(dǎo)光板出光面的光強(qiáng)分布。該觀察板下表面距離導(dǎo)光板出光面0.5 mm，面屬性為Perfect Absorber(完美吸收面)。觀察板反映出的模擬結(jié)果如圖3所示，光強(qiáng)最大值為340.43 W/m2，平均值為277.21 W/m2。

圖3 針對設(shè)計結(jié)構(gòu)的光學(xué)模擬結(jié)果Fig.3 Optical simulation result of design component

針對導(dǎo)光板尺寸，采取五點(diǎn)取值法(圖3中標(biāo)注)來表征導(dǎo)光板的出光均勻度。即以觀察板中心點(diǎn)為準(zhǔn)，沿Y方向中軸線向兩端每隔40 mm取值。則出光均勻度為

(1)

式中η為導(dǎo)光板出光均勻度；Imin為取值點(diǎn)中的光強(qiáng)最小值，W/m2；Imax為取值點(diǎn)中的光強(qiáng)最大值，W/m2。

光能利用率定義為

(2)

式中σ為導(dǎo)光板光能利用率；Φtotal為觀察板上接收的總光通量；ΦUV-LED為UV-LED點(diǎn)光源發(fā)出的總光通量。

該設(shè)計構(gòu)型的出光均勻度為

光能利用率為

認(rèn)為光學(xué)部件的設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠保證相當(dāng)?shù)某龉饩鶆蚨群凸饽芾寐剩且环N可被接受的部件設(shè)計方案。

3 實驗驗證

本文組建了一套針對該凈化裝置中光學(xué)部件出光光強(qiáng)測試的試驗臺。試驗臺由密閉測試箱、感光探頭定位支架和光強(qiáng)測試儀三部分組成。考慮到凈化裝置結(jié)構(gòu)特殊，密閉測試箱和感光探頭定位支架的數(shù)字模型均為自主設(shè)計，并用3D打印技術(shù)實現(xiàn)實物制作。數(shù)字模型如圖4所示。

圖4 試驗臺數(shù)字模型設(shè)計圖Fig.4 Numeric model of test bench

出光光強(qiáng)測試僅針對一組光學(xué)部件，故密閉測試箱中僅穿過一片導(dǎo)光板。測試箱內(nèi)表面和定位支架表面均敷設(shè)鋁箔，以排除材料對紫外光的吸收作用。定位支架上的設(shè)置多個探頭放置孔位，能夠?qū)⒆贤夤鉁y試儀的探頭固定在距離導(dǎo)光板出光表面0.5 mm的水平位置，且按圖3中的五點(diǎn)取值法進(jìn)行定位。測試箱和定位支架的實體裝配圖如圖5所示。

圖5 測試臺實體裝配圖Fig.5 Test bench assembly

紫外光光強(qiáng)檢測儀選用臺灣路昌Lutron紫外光強(qiáng)測試儀，型號UVA-365，是針對波長為365 nm紫外光的的專用測試儀器。如圖5所示。

導(dǎo)光板中軸線上五測點(diǎn)的測量結(jié)果以及與仿真結(jié)果的誤差如表1所示。可以看到測量結(jié)果普遍低于仿真結(jié)果，經(jīng)分析認(rèn)為是由不可避免的漏光現(xiàn)象或材料吸收特性導(dǎo)致。測試結(jié)果誤差在仿真結(jié)果的10%以下，認(rèn)為仿真結(jié)果有效。

表1 測量結(jié)果與仿真結(jié)果的誤差Table 1 Error between measuring results and simulating results

4 光學(xué)特性分析

UV-LED點(diǎn)光源具有一定的發(fā)光角度，如何獲得光源與導(dǎo)光板入光端面之間的最佳光耦合是尤為重要的。光耦合直接影響導(dǎo)光板的出光性能，主要分為兩點(diǎn)：一是點(diǎn)光源與導(dǎo)光板入光端面距離固定時，導(dǎo)光板厚度取值多少能夠獲得最佳光耦合；二是導(dǎo)光板厚度固定時，點(diǎn)光源與導(dǎo)光板入光端面的距離為多少能獲得最佳光耦合。

另外，在建議的最佳網(wǎng)點(diǎn)密度范圍內(nèi)，網(wǎng)點(diǎn)高度和網(wǎng)點(diǎn)尺寸也會影響導(dǎo)光板出光性能。下文會對這四種情況逐一分析。

4.1 導(dǎo)光板厚度對出光性能的影響

按當(dāng)前市場上導(dǎo)光板的通用工藝，導(dǎo)光板厚度一般在3～6 mm之間。圖6為不同厚度時，光學(xué)部件的光能利用率和出光均勻度。

圖中可以看到，光能利用率和出光均勻度均隨厚度的增加呈升高后遞減的趨勢。第一，鑒于UV-LED的寬度尺寸為3.5 mm，認(rèn)為導(dǎo)光板厚度小于UV-LED寬度對出光性能及其不利；第二，導(dǎo)光板厚度與UV-LED寬度近似時，出光性能達(dá)到最佳，即導(dǎo)光板厚度4.0 mm時光能利用率達(dá)到峰值，導(dǎo)光板厚度3.5 mm時出光均勻度達(dá)到峰值；第三，導(dǎo)光板厚度過多的大于UV-LED寬度時，出光性能呈遞減趨勢。

圖6 導(dǎo)光板厚度改變對出光性能的影響Fig.6 Light performance effected by the thickness of light guide plate

考慮到在網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計時是依據(jù)導(dǎo)光板厚度3.5 mm進(jìn)行優(yōu)化的，故其出光均勻度達(dá)到峰值無可厚非。這里認(rèn)為導(dǎo)光板厚度4.0 mm為光學(xué)部件的最佳出光性能參數(shù)。

4.2 UV-LED與導(dǎo)光板入光端面距離對出光性能的影響

UV-LED與導(dǎo)光板入光端面離得越近，則耦合進(jìn)導(dǎo)光板的光線越多，但是導(dǎo)光板的端面亮斑會非常明顯，繼而影響導(dǎo)光板的出光性能。這里分析了導(dǎo)光板厚度4 mm時，UV-LED與導(dǎo)光板入光端面間距0～3 mm范圍內(nèi)，光學(xué)部件的光能利用率和出光均勻度，如圖7所示。

圖7 UV-LED與入光端面間距改變對出光性能的影響Fig.7 Light performance effected by the distance between UV-LED and light guide plate

從圖7中可以看到，隨著UV-LED與導(dǎo)光板入光端面間距增加，光能利用率逐漸降低，出光均勻度呈遞增后遞減的趨勢。在光能利用率遞減趨勢平緩的情況下，間距1 mm時導(dǎo)光板的出光均勻度達(dá)到最高，認(rèn)為此時可以獲得光學(xué)部件的最佳出光性能。

4.3 網(wǎng)點(diǎn)高度對出光性能的影響

本文的設(shè)計網(wǎng)點(diǎn)為半球形網(wǎng)點(diǎn)，其網(wǎng)點(diǎn)高度是指在固定網(wǎng)點(diǎn)直徑時半球形網(wǎng)點(diǎn)的高度。網(wǎng)點(diǎn)高度會影響入射光線在網(wǎng)點(diǎn)上的折射，從而影響出光性能。這里分析了導(dǎo)光板厚度4 mm時，UV-LED與導(dǎo)光板入光端面間距1 mm時，網(wǎng)點(diǎn)高度0.1～0.5 mm時，光學(xué)部件的光能利用率和出光均勻度，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)點(diǎn)高度改變對出光性能的影響Fig.8 Light performance effected by dot height

圖中可以看到，隨著網(wǎng)點(diǎn)高度的增加，導(dǎo)光板的光能利用率和出光均勻度均有遞增，這說明半球形網(wǎng)點(diǎn)越完整，光學(xué)部件的出光性能越好。這一點(diǎn)在現(xiàn)行的激光3D打點(diǎn)工藝中也有所體現(xiàn)。

4.4 網(wǎng)點(diǎn)直徑對出光性能的影響

在網(wǎng)點(diǎn)密度建議范圍為10%～40%，通過改變網(wǎng)點(diǎn)直徑也能獲得不同的出光性能。這里分析了導(dǎo)光板厚度4 mm時，UV-LED與導(dǎo)光板入光端面間距1 mm時，網(wǎng)點(diǎn)高度同網(wǎng)點(diǎn)半徑時，光學(xué)部件的光能利用率和出光均勻度，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)點(diǎn)直徑改變對出光性能的影響Fig.9 Light performance effected by dot diameter

由圖9可以看到，在相同的網(wǎng)點(diǎn)密度下，光能利用率的變化并不明顯。出光均勻度在網(wǎng)點(diǎn)直徑為0.5 mm處達(dá)到最佳只是因為前文在設(shè)計時依據(jù)該網(wǎng)點(diǎn)直徑進(jìn)行優(yōu)化造成。可以認(rèn)為無論怎樣的網(wǎng)點(diǎn)直徑，只要在網(wǎng)點(diǎn)密度建議范圍內(nèi)優(yōu)化設(shè)計均能達(dá)到較好的出光均勻度，而網(wǎng)點(diǎn)直徑的選擇還要考慮打印糊板這樣的工藝因素，不宜過低。基于對現(xiàn)行網(wǎng)點(diǎn)打印工藝的了解，這里認(rèn)為網(wǎng)點(diǎn)直徑為0.5 mm是合理選擇。

5 總結(jié)

本文對自主研發(fā)的一種新型飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中的光學(xué)部件進(jìn)行了建模仿真與實驗驗證，并著重研究了其光學(xué)特性。文中分析了導(dǎo)光板厚度不同、點(diǎn)光源與導(dǎo)光板入光端面間距不同、網(wǎng)點(diǎn)高度不同、以及網(wǎng)點(diǎn)直徑不同時對出光性能的影響。得到結(jié)論如下：

1) 導(dǎo)光板厚度方面，厚度與UV-LED寬度近似時，出光性能達(dá)到最佳。本文的設(shè)計是在導(dǎo)光板厚度4.0 mm時為光學(xué)部件的最佳出光性能參數(shù)。

2) UV-LED與導(dǎo)光板入光端面間距方面，隨著間距增加導(dǎo)光板的光能利用率逐漸降低，出光均勻度呈遞增后遞減的趨勢。認(rèn)為間距1 mm時獲得光學(xué)部件的最佳出光性能。

3) 網(wǎng)點(diǎn)高度方面，隨著網(wǎng)點(diǎn)高度的增加，導(dǎo)光板的光能利用率和出光均勻度均有遞增，這說明半球形網(wǎng)點(diǎn)越完整，光學(xué)部件的出光性能越好。

4) 網(wǎng)點(diǎn)直徑方面，只要在網(wǎng)點(diǎn)密度建議范圍內(nèi)，無論怎樣的網(wǎng)點(diǎn)直徑均能通過優(yōu)化設(shè)計達(dá)到較好的出光均勻度，但網(wǎng)點(diǎn)直徑的選擇需要考慮工藝因素，不宜過低。