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電子產品的導光柱設計的3大定律

LED燈光常用于電子產品的使用者操作指示信號,電子產品的LED燈通常表面貼裝(SMT)于電子產品內部的印刷線路板。導光柱可以將產品內部的LED燈光傳輸到產品面板上,以顯示產品相關的工作狀態,導光柱就是將產品內部的LED燈

LED燈光常用于電子產品的使用者操作指示信號,電子產品的LED燈通常表面貼裝(SMT)于電子產品內部的印刷線路板。導光柱可以將產品內部的LED燈光傳輸到產品面板上,以顯示產品相關的工作狀態,導光柱就是將產品內部的LED燈光以最小的損耗傳輸到產品面板的零件。

電子產品的導光柱設計的3大定律

一.導光柱材料

導光柱通常采用光學材料制成,如:丙烯酸樹脂(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、環氧樹脂和玻璃。丙烯酸樹脂、聚碳酸酯屬于塑膠材料,成型容易,價格適中,是電子產品最常用的導光柱材料。


二.導光柱的光學導光原理

導光柱設計應用到的光學導光原理有光的折射定律(菲涅耳定律)、菲涅耳損耗(Fresnel Loss)定律和完全內反射原理。

1.光的折射定律

當光線入射到兩種不同的介質的交界面時,如丙烯酸樹脂和空氣,光線在通過這個交界面時會產生折射。射入光線與垂直于交界面的法線的夾角叫做入射角,離開光線與垂直于交界面的法線的夾角叫做折射角。

電子產品的導光柱設計的3大定律

2.菲涅耳損耗(Fresnel Loss)定律

當光線通過交界面從一種介質進入另一種介質時,光線會因為在交界面上產生反射而產生損耗,這種損耗稱作菲涅耳損耗。光線從空氣射入玻璃時,以及光線從玻璃射入空氣時都會因為反射而各發生4%的菲涅耳損耗。

電子產品的導光柱設計的3大定律

3.完全內反射原理

當光線從折射率大的介質射入折射率小的介質時,部分光線會被分界面折射進入折射率小的介質,其余光線會被分界面反射回折射率大的介質,當光線入射角達到或大于折射率大的介質的完成內反射臨界角時,折射出的光線將沿分界面向前傳播或向介質內部反射,而不進入另一介質。

導光柱常用材質丙烯酸樹脂或聚碳酸酯的折射率約為1.5,空氣的折射率為1.0,通過折射率可算得丙烯酸樹脂或聚碳酸酯的完全內反射臨界角為42°。當光線從導光柱內部射在導光柱表面與空氣的分界面時,入射角達到或大于42°的光線則不會從分界面逃逸入空氣。

電子產品的導光柱設計的3大定律

三.導光柱設計

實際產品設計時,要將產品內部的LED燈光以最小的損耗傳輸到產品的面板,導光柱可能是平直的,也可能需要拐彎;根據菲涅耳損耗定律,只有當光源的LED燈無間隙地埋置于導光柱內部,光源的LED燈光才可能完全耦合進導光柱,實際設計時,導光柱與光源的LED燈之間一般都要預留裝配間隙,所以,光源的LED燈光實際上不可能,也沒必要全部耦合進導光柱;實際的LED燈光不可能全部是平行地耦合進入導光柱且向前傳播的,相當部分的LED燈光實際上是在導光柱內部不斷完全內反射地向前傳播的,部分照射于導光柱側壁的LED燈光可能會從導光柱側壁逃逸進入空氣。因此,導光柱的結構需要根據實際產品的光源位置、燈光需要到達的位置、燈光可以經過的路徑進行特定的設計。


1.導光柱的輸入端設計

在保證LED燈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地耦合進導光柱的輸入端。在實際產品中,導光柱輸入端與LED燈之間一般都要保留裝配間隙,導光柱設計時必須要盡量做到LED燈的光線輻射角與導光柱輸入端的光線接收角相匹配。導光柱的輸入端應當光滑,平坦或者內凹,并且匹配LED燈的外形,以保證導光柱高效地捕獲LED燈的光線。

對于表面貼裝在印刷線路板上的發光區域是平坦表面的LED燈,導光柱的輸入端應當做成光滑的且與LED燈表面平行的平面,導光柱輸入端應盡可能地貼近LED燈的發光面,導光柱的輸入端要比LED燈的發光面略大,以保證捕獲較多的光線。

大多數表面貼裝在印刷線路板上的LED燈的光線是發散的,光線既從頂部射出也從側面射出,一般只有40%的光是從LED燈頂部射出的,另外60%的光是從LED燈側面射出的。對于這種LED,光滑且內凹的導光柱輸入面將有效地提高捕獲率,光滑且內凹的輸入端的導光柱大約可以捕獲70%-80%的燈光。這種光滑且內凹的輸入端設計可以應用于任何導光柱與LED燈的組合,以提高光線捕獲能力。


2.導光柱的外表面設計

導光柱平行于光線傳播方向的側壁應當非常光滑,像鏡子一樣。否則,凸凹不平的分界面遍布隨機的完全內反射臨界角,近半的光線會因入射角小于完全內反射臨界角而逃逸進入空氣,而且整個導光柱表面都有光線逃逸進入空氣,原本射在光滑的分界面的光線是完全內反射向前傳播的,同樣的光線如射在凹凸不平的分界面則逃逸進入空氣。導光柱外表面的光滑是導光柱正常工作的重要保證。

電子產品的導光柱設計的3大定律

導光柱的側壁可以涂上白色反光涂料,以使入射角度小于導光柱完全內反射臨界角的光線也能鏡面反射回導光柱內部,而不從導光柱側壁逃逸到空氣中造成損耗。只要導光柱拐角設計合理,光線從導光柱側壁逃逸的機率不大,一般導光柱側壁做高光面處理即可。


3.導光柱的輸出端設計

導光柱的輸出端設計與側壁設計恰好相反,導光柱的輸出端表面應當遍布隨機的臨界角,以使導光柱內的光線以隨機的角度入射到導光柱與空氣的交界面上,保證光線可以從導光柱內部較容易地逃逸出來,同時將光線以極寬的角度散射出去,這樣不論從哪個角度看過去導光柱的輸出端都是亮的。通常導光柱輸出端模具做咬花或噴砂處理。


4.導光柱的拐角設計

導光柱可能需要彎曲,為了減少光線在導光處因入射角小于導光柱完全內反射臨界角而從導光柱側壁逃逸的損耗,導光柱彎曲半徑應當大于等于導光柱厚度的2倍(方形導光柱)或導光柱直徑的2倍(圓柱形導光柱)。如果導光柱只能做成急速的90°轉角,則可以在其轉角處制作一個反射鏡來改變光的方向。

電子產品的導光柱設計的3大定律

四.導光柱的材料處理

導光柱一般都是用透明的丙烯酸樹脂和聚碳酸酯制作而成的,導光柱零件上除了導光結構,還有安裝固定結構,透過透明的導光柱很容易看到導光柱的內部結構,可以在導光柱射出成型時在膠粒里添加一定比率的汰白粉,使導光柱呈霧狀,這樣,從產品外部即無法看到導光柱內部結構,而且,光線在導光柱內部照到汰白粉而漫反射,可以使光線更均勻。


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