長光導氛圍燈的光學特性及影響因素

董 曉，鄭志軍，華 成

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

1 研究背景和意義

目前汽車內飾氛圍燈按照光源類型主要分為點光源氛圍燈、線光源氛圍燈以及面光源氛圍燈，其中光導式氛圍燈是最常見的線光源氛圍燈。

其中，光導式氛圍燈根據加工工藝可劃分為注塑光導氛圍燈和激光切割光導；根據發光長度又劃分為短光導氛圍燈和長光導氛圍燈，具體劃分標準為：長度≤400mm定義為短光導氛圍燈（圖1）；長度＞400mm定義為長光導氛圍燈（圖2）。

圖1 短光導氛圍燈

圖2 長光導氛圍燈

近年來，隨著用戶對駕乘體驗要求的不斷提升，車內氛圍燈呈現出大面積發光的趨勢，對于長光導氛圍燈的應用需求也日益增加，隨著發光長度的增加，產生開發難度也不斷上升的問題。因此，本文主要研究影響激光打點長光導氛圍燈光學特性的影響因素以及相關設計建議，對汽車長光導氛圍燈的開發具有一定的指導意義。

2 長光導氛圍燈光學特性

2.1 亮度

亮度（cd/㎡）是指光源或被照面上某一方向的單位面積的發光強度，是可以被人眼感知的。針對不同類型的長光導氛圍燈規定不同的亮度要求，一般直接式長光導氛圍燈亮度要求高于間接式氛圍燈。在氛圍燈零件組裝完成后，需應用成像亮度計或光譜儀等儀器按照整車上一定的角度對亮度進行測量，要求其平均亮度需滿足規定亮度值，若亮度超過規定要求，則要結合主觀評價來確定最終的亮度值。

2.2 均勻性

車內氛圍燈要求光照必須均勻，主要包括兩個方面：①要求在長度方向上最高、最低亮度比不得超過一定的比例，通常對于整個發光區域會選取幾條亮度曲線進行評價，如圖3所示；②在長度方向的某一位置的截面上亮度不允許有較大差異，如圖4所示。

圖3 亮度曲線

圖4 截面亮度曲線

2.3 光色

光色要求是根據目前國際上常用的兩種色度標準CIE 1931 Yxy和CIE 1976 UCS來規定的，每個主機廠會針對每種顏色給出標準的中心色坐標值以及一定的偏差要求，即可得到標準光色范圍。對于氛圍燈光色的基本要求為：零件實測的每種顏色的色坐標值符合相應的標準光色范圍，不得因點亮時間和環境溫度的變化而產生顏色飄移（后文簡稱色飄）。

光色測試和評價方法如下：首先，氛圍燈組裝完成后，運用光譜儀對整燈所有顏色進行點亮測量，得到所有顏色的色坐標值；然后，將測量得到的色坐標值與標準光色范圍進行對比，判斷是否有色飄及偏差程度。

3 激光打點長光導氛圍燈光學特性影響因素

長光導氛圍燈的光學特性的好壞是直接影響氛圍燈效果的關鍵，良好的發光效果可以給乘客帶來愉悅的駕乘體驗。而在長光導氛圍燈的開發過程中，光學往往是開發難度最大的一點。因此，清楚各種光學特性的影響因素是至關重要的，可以對開發過程中出現的光學問題快速找到具體的原因及優化方法，極大地提升開發效率。

3.1 燈具自身相關影響因素

3.1.1 LED模組

LED（Light Emitting Diode），即發光二極管，是一種半導體固體發光器件，它是利用固體半導體芯片作為發光材料。其發光原理是電致發光，當LED兩端加上電壓時，在電場的作用下激發電子由低能態躍遷到高能態，當這些電子從高能態回到低能態時，根據能量守恒，多余的能量就以光的形式釋放。

LED發出多種顏色的原理為：由于不同的光有不同的波長，不同的波長使光呈現不同的顏色，而LED發光的波長取決材料的PN結寬度，根據PN結不同，所以LED的發光色彩與發光的波長有關，而發光的波長又取決于制造LED所用的半導體材料。

為了研究LED模組對亮度的影響，我們選取了常用的不同品牌的LED進行了亮度對比測量，得出結論為：不同型號的LED能輸出的最大光通量不同，因此LED的選擇直接決定了氛圍燈整體亮度。

3.1.2 驅動電流

為了研究驅動電流對亮度的影響，我們將測試電壓固定為13.5V，在常溫（25℃）和高溫（85℃）條件下，使用同一型號LED和相同型號的芯片進行測試，得出的結論為：通過改變電流來調節LED的光輸出，在未到達上限前，電流越大，LED光輸出越大。LED隨著溫度升高亮度降低，增大產品的輸出電流勢必增加溫度，使電子元器件處于極限工作狀態，會降低產品的使用壽命。

3.1.3 LED與光導安裝固定方式

目前最常見的LED與光導的安裝固定方式主要是卡接，安裝過程中主要關注的是定位精度。LED與光導的定位精度主要影響亮度和光色。

首先，LED與光導相對位置的準確性直接影響到LED所發射光線進入光導的比例，比例越高則亮度越高，反之則亮度越低。

其次，定位不準確會造成三原色進入光導的比例發生差異，進而體現為整體顏色發生偏差。

因此，定位精度越高，越接近理論設計狀態，越有利于減小亮度偏差和色飄的可能性。一般要求光導與LED模組中的PCB板有直接定位關系。

3.1.4 LED與光導距離

LED與光導的距離主要對長光導氛圍燈的亮度產生影響。為了研究具體影響方式，選取某品牌的LED進行不同距離下的光利用率的測量，測量結果匯總如圖5所示。

圖5 LED與光導距離

根據測量結果得出結論為：LED與光導距離越近，則光源利用率越高，但是距離過近會產生光導與LED碰撞的風險。

3.2 光導相關因素

1）光學結構設計。光學齒導光原理是：光導內部的光線經過光學齒反射，改變傳遞方向，從光導齒正對的介質面出射。根據光學齒的屬性不同，對發光效率的影響也不同，方便控制出光方向，也可以通過磨砂/散射材料面罩使光線進一步散射，提升均勻性，使用白色支架可使后部光線折回，提升亮度。為了研究具體影響方式，將光學齒的間距、高度、寬度和齒傾角設置變量，來測量長光導的光學性質。得出結論為：在不同間距條件下，間距越大，亮度越低，齒痕越明顯，間距一般不超過3mm；不同高度條件下，高度越小，亮度越低，倒角后一般不低于0.05mm；不同寬度條件下，寬度越小，亮度越低，寬度一般在1～2mm之間；不同齒傾角條件下，決定出光方向，一般40°左右，使出光方向近似垂直光導，過小的start angle無法使光打向光導正面，過大的start angle出光效率極低。

2）光導材料。光導（light guide）是一種把LED發出的光從PCB上導向前面板或者需要發光的位置的結構件，一般采用PC材料或者PMMA材料制成，具有很好的導光性能。為了研究光導材料對光學特性的影響，選取不同材質的光導進行實驗，得出結論為：材料透過率越高，光導亮度越高，并且材料中有雜質會影響均勻性。所以通常使用PC或PMMA作為光導材料，PMMA材料的光導色散小、通透性好且不容易發黃，所以優選PMMA材料。

3）光導皮紋。皮紋結構相較于光學齒結構而言，結構更加簡單且不易大角度改變出光方向；外觀不會出現條紋，出光面效果細膩均勻。不同型號的皮紋結構對光導的光學特性影響也不同，為了研究不同型號皮紋結構對光學特性的影響，選取了3種不同型號的皮紋結構進行測試，得出結論為：皮紋表面粗糙度越大，則密度越大，光導皮紋區域亮度就越高，均勻性也就越好，但是光導色飄就會越嚴重。所以，在長光導上皮紋通常用來增加局部亮度，優化均勻性；在外透鏡上，皮紋通常用于提升均勻性。

4）光導長度。光導的長度也是影響光學特性的條件之一，為了研究具體影響方式，選取一根1000mm的長光導，點亮后在每200mm處進行截面的測量，測量結果見圖6。

圖6 光導長度影響方式

結論為：光導長度越長，平均亮度就越低，光衰減越多，尾端越暗，均勻性就越差；尾部相對于頭部來說色飄也就越明顯，所以一般單個燈頭光導長度應控制在550mm以內。

5）光導折彎半徑。光導的光學特性不僅僅與材料、長度等因素有關，它的折彎半徑也會影響光導的光學特性。為了研究具體影響方式，將3根折彎半徑分別為30mm、40mm和50mm的光導點亮進行測量，得出結論為：光導折彎半徑弧度越大，光損失就越多，尾端亮度就越低，而且會出現亮斑或者暗區，影響均勻性，色飄也會越嚴重；在入光端的光導弧度如果過大的話，也不利于混光。所以一般激光打點長光導的折彎角度應大于135°，折彎半徑應大于50mm。

6）入光區（混光區）長度。為了研究入光區長度對長光導光學特性的影響，我們選取了一條長光導進行點亮測量，測量結果見圖7。

圖7 光導入光區光學效果

結論為：入光區過短，部分光逃逸，會導致整體亮度變暗，會出現發彩和亮斑，如果RGB三原色沒有混合均勻，也會引起整體的色飄。

3.3 支架及Lens相關因素

1）支架表面處理。光導支架的材質一般是PC、ABS或PP材質，PC和ABS材質硬度偏高，與PMMA光導易出現異響，PP材質低溫易變脆，不耐磨，而且容易老化。支架上光導反射面的處理也會影響光導的光學特性。為了研究具體影響方式，設置2個表面做不同處理的支架進行光學模擬，一個光潔面，另一個做鍍鉻處理，模擬數據如圖8所示。

圖8 支架上光導反射面表面處理對亮度影響

結論為：支架表面處理對亮度的影響不大，增加支架光澤度或做鍍鉻處理可以提升亮度。

2）支架顏色。一般選用冷白色、米白色、正白色和黑色。為了研究不同顏色的支架對光導光學特性的影響，選取這4種不同顏色的支架來進行測量，得出的結論為：白色支架反射率高，亮度高，但是均勻性較差；黑色支架吸收率高，亮度較低，但均勻性較好；支架本身不會引起色飄，但不同顏色的支架會對整體光色產生影響。所以通常亮度充足的條件下，推薦采用黑色支架；亮度不足的條件下，考慮采用淺色支架（優先考慮正白色）以提升亮度，但需要減少支架上的安裝結構，以保證均勻性。

3）安裝結構。激光打點長光導常用安裝方式為卡接，卡扣設計不當會在卡扣區域形成暗影，影響均勻性。卡扣位置支架優先級大于光導，光導尾端優先級大于頭部，非出光區域優先級大于出光區域。

4）Lens材料及厚度。透鏡（Lens）是根據光的折射規律制成，由透明物質制成的一種光學元件。Lens的材料也是影響光導光學特性的因素之一，為了研究具體影響方式，選取兩種不同擴散系數材料的Lens進行測量，實驗結果如圖9所示。

圖9 Lens材料對亮度影響

結論為：Lens材料擴散系數越大，透光率越低，亮度越暗，氛圍燈各方向越容易均勻，擴散系數越小，透光率越高，亮度越亮，氛圍燈各方向越容易不均勻。

3.4 環境件相關影響因素

3.4.1 被照面參數

常用的被照面材質有PU表皮、PVC、塑料件（皮紋/噴漆）、織物和IMD膜片，被照面的材質、顏色和皮紋都是影響光學特性的因素。圖10是不同被照面呈現出的效果。

圖10 被照面材質對亮度的影響

為了研究具體影響方式，分別以不同材質、顏色和皮紋的被照面作為變量進行測量對比，得出的結論為：被照面的材質、顏色和皮紋會直接影響亮度，淺色被照面亮度高于深色被照面亮度，細皮紋亮度高于粗皮紋亮度；氛圍燈的皮紋大小以及花紋會影響氛圍燈的均勻性，粗皮紋均勻性要大于細皮紋均勻性；被照面不會影響光導的色飄，但是淺色被照面會加大人眼對色飄的識別度。

所以通常被照面反射率不可過高，否則會反射出光學齒；被照面區域應避免使用鍍鉻、高光反射材質，否則會出現齒痕、眩目問題。

3.4.2 被照面與光導的相對位置

為了研究被照面與光導的相對位置對光學特性的影響，對被照面和光導的距離、角度設置變量進行測量，得出結論為：光導的位置、縫寬、被照面一定時，被照面與光導距離越近，亮度就越高；被照面與光導的距離和被照面的角度整體是否保持一致，直接影響氛圍燈的均勻性；光導位置、縫寬、距被照面距離一定時，被照面角度越大，光照寬度就越大。

所以通常建議被照面與光導距離為10mm±20%，過大會導致光利用率較低，過小會導致光寬過窄，且容易產生齒印；被照面角度為60°±10%，太大會導致光利用率低，亮度低；過小會導致照亮寬度過窄；被照面與光導的距離、被照面的角度，氛圍燈區域需保持一致。

3.4.3 出光縫隙寬度

為了研究出光縫隙寬度對光學特性的影響，對出光縫隙的寬度設置變量進行測量，寬度分別為2.5mm、3.5mm和4.5mm，測量結果如圖11所示。

圖11 出光縫隙寬度對亮度影響

結論為：縫寬的大小對主亮區亮度不會產生影響；氛圍燈前后縫寬是否一致會直接影響氛圍燈的均勻性；縫寬寬度越大，光寬就越寬；縫寬寬度越小，光寬就越窄。所以通常造型設計階段，需要要求氛圍燈前后縫寬保持一致。建議縫寬為4mm，縫寬過大，客戶手指會觸摸到光導；縫寬過小，光利用率較低，光照亮度和寬度將無法滿足要求。

3.4.4 觀察角度

在不考慮顏色條件下，反射材質特性：反射率（Reflection）=朗伯反射+高斯反射+鏡面反射。

朗伯反射（Lambertian）：散射不分方向，對均勻性最有利；鏡面反射（Specular）：散射方向性最強，光源、被照面法線、反射角三者成鏡面關系；高斯反射（Gaussian）：在鏡面反射基礎上具有一定擴散特性，在鏡面方向會觀察到亮度明顯變強。

為了研究觀察角度對光學特性的影響，在不同角度位置對其進行觀察測量，得出的結論為：高斯散射為主的被照面，人眼、被照面法線、光導成鏡像關系時亮度最大；朗伯散射為主的被照面，觀察角度垂直被照面時亮度最大。鏡面反射或高斯散射為主的被照面，光線方向性強，但均勻性較差；朗伯散射為主的被照面，各角度均勻性差異不大。所以通常被照面區域應避免使用鍍鉻、高光等高反射材質。

4 總結

本文主要研究了激光打點長光導氛圍燈光學特性的影響因素，主要與燈具自身和環境件有關；燈具自身因素包括LED相關因素、光導相關因素、支架及Lens相關因素，環境件因素包括被照面參數、被照面與光導的相對位置、出光縫隙寬度和觀察角度。根據不同條件及參數進行模擬或實驗，來對激光打點長光導氛圍燈的光學特性和其影響因素進行關聯，總結出相關知識和關系，對后續汽車長光導氛圍燈的開發進行參考或借鑒。