光导设计参数对光强的影响研究

李虎强 韩红亮

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

光导设计参数对光强的影响研究

李虎强 韩红亮

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，长春 130011）

为提高汽车灯具中LED光导的光通利用率和发光均匀性，对齿高、齿宽、起始角、结束角、齿距等光导结构设计参数进行研究，利用SPEOS CAA V5光学设计软件对一系列不同参数状态下的光导进行光强模拟仿真。通过对仿真结果的分析，得到了各参数对光通利用率的影响趋势，为工程设计人员的前期设计提供了参考。

1 前言

汽车灯具不仅为用户提供良好的夜间照明及警示功能，同时也是体现主机厂造型特点、为消费者营造良好视觉效果的必备部件，光导在灯具上的广泛应用能够极大地满足这种需求。光导技术的光通利用率和发光均匀性一直是设计者关注的重中之重，如何在LED芯片相同的情况下通过优化光导结构参数提高光照强度、改善光照均匀性成为了设计者研究的热点。

目前，虽然很多生产厂家在灯具设计中采用了光导技术，但光导对LED光源的光通利用率低、发光不均匀的缺陷时有发生，因此，研究光导设计中各参数对光通利用率、发光均匀性的影响有着非常重要的意义。

2 光导的类型与光学原理

2.1 常用光导的结构形式

2.1.1 直线光导类

这类光导的外形一般为直线形或曲率较小的弧线形，光导花纹的光导齿间一般没有间隙，可以保证较高的光利用率，具体形式及细节见图1。

图1 直线光导及细节

此类光导（见图2）的结构与直线类光导相同，但光导的曲率很大，有时甚至为圆形。有研究表明[1]，弯曲损耗随弯曲半径R的减小而增大，故设计中光导的弯曲半径不能过小，否则会使一部分光在弯曲处无法满足全反射条件而射出光导，因此在曲率较大的区域，光导齿间一般设计间隔。

图2 弯曲光导及细节

2.1.3 柔性光导类

直线类和弯曲类光导均为锯齿形侧面发光光导，其发光原理相同，仅是光导尺寸及光导齿参数不同而形成的不同表现形式的光导。与上述光导形式相比，柔性光导具有侧面出光均匀、光利用率高、允许弯曲角度大等优点，但其成本偏高。柔性光导外层为透明塑料保护套，内部由多根直径约70 μm的光纤密布排列组成（见图3），每根光纤则由内部的玻璃纤心和外部的玻璃包层构成，而光导的侧面发光是由于纤心和包层界面的散射核产生侧面散射（见图4）所致[1]。

图3 柔性光导

图4 单根光导纤维的散射

2.2 光导设计参数

本文主要研究直线类和弯曲类光导的设计。如图5所示，光导设计的参数一般包括：齿高（h），即光导齿顶点与光导本体的距离；齿宽（L），即光导齿本身的宽度；齿距（s），即单个光导齿的长度；起始角（α），即单个光导齿上靠近光导光源一侧的内角角度；结束角（β），即单个光导齿上远离光导光源一侧的内角角度。

图5 光导设计参数

2.3 光导光学原理

光线在两个均匀的各向同性透明介质中传播时，在它们的介面上会发生反射和折射，如图6所示。入射角α1、反射角α3和折射角α2之间的关系满足反射定律和折射定律：

移民官(对译员)：What does he mean by nominal age?(他说的虚岁是什么？)

式中，n1、n2分别为两种介质的折射率。

当光线由折射率高的介质进入折射率低的介质时，α2＞α1，由于入射光中只有一部分被反射，另一部分被折射，所以反射光的强度总是小于入射光。当α1足够大时，α2＞90°，即不发生折射，所有的入射光都被反射，反射光与入射光的强度相等，成为全反射。利用全反射原理，使得从一定角度进入光导体内的光线在光导传播时一直发生全反射，然后从另一端射出，其间，通过调整影响光线传播路径的光导齿参数使光有规律地从光导管内沿着设计方向射出，形成光导。

图6 光导的反射与折射（n1＞n2）

3 各参数对光导发光效率的影响

3.1 直线类光导3D模型

本文分析使用的光导均采用图7光导模型，仅对光导齿的参数进行调整研究。

图7 光导模型

3.2 齿高

齿高分别设定为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm，其他参数的设置见表1，进行4次模拟。

表1 齿高变化条件下其他光导齿参数设置

光导材料的体属性选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），折射率为1.489，面属性采用光学抛光，对可见光无吸收率，以降低模拟难度。光强传感器设定为水平方向±62.5°，垂直方向±15°。

LED光源型号为OSRAM TOPLED LS_E63F，功率为0.15 W，光的分布主要集中在0°～15°范围内，较小的出光角有助于光的充分利用。

光导条齿高为1 mm时光强模拟结果如图8所示，由图8可知，光导中间偏LED侧是光强的极值点，这是在所有光导齿参数相同时，靠近LED光源处获得的光能量较多且反射的光线较多造成的。取所有光导齿反射的光强的平均值对光导反射能力作整体评估，不同齿高条件下的发光强度如图9所示。

图8 光强模拟结果示意

图9 齿高对光强的影响

由图9可知，在光导其它参数不变的情况下，单个光导齿越高，获得的平均光强越高，光导的光通利用率越高。但光导齿高度有上限要求，有关研究表明，光导齿高度不应超过光导直径的1/20，否则光导齿会产生阴影效应[2]，光效反而降低。

3.3 齿宽

齿宽分别设定为4 mm、5 mm、6 mm，其他参数的设置见表2，进行3次模拟。光导的材料属性和面属性不变，光强传感器设定、LED型号相同。

表2 齿宽变化条件下其他光导齿参数设置

不同齿宽条件下的发光强度如图10所示，光强随着光导齿宽度的增加而增大，因此，在工艺允许的条件下，光导齿越宽，对光的利用率越高，能够获得更多的侧面发光[3]。

图10 齿宽对光强的影响

3.4 起始角

起始角分别设定为30°、45°、75°，其他参数的设置见表3，进行3次模拟。光导的材料属性和面属性不变，光强传感器设定、LED型号相同。

表3 起始角变化条件下其他光导齿参数设置 mm

不同起始角条件下的发光强度如图11所示，起始角越大，结束角越小，光导侧面发光效率越高。此外，不同起始角条件下的光强分布如图12所示，由图12可知，起始角决定光导侧面发光的出光方向，出光集中方向随着起始角的变大而随出光方向顺时针移动。

图11 齿高对光强的影响

图12 不同起始角的光强分布

3.5 齿距

光导齿密度越大、齿距越小，侧面发光光效率显然越高，因此，光导齿距对发光效率的影响关系，不再进行软件仿真分析。

4 参数优化后的光导仿真

通过上面几个方面的分析和仿真，得出了光导设计参数对侧面出光效率的影响关系，能够指导光导在设计时参数的具体设置方法；而光导设计中重要考虑因素不仅有光导的侧面发光效率，从美观性考虑，更加注重整个光导的发光均匀性，即光导点亮后不能出现亮度高亮或低暗的区域。

显然，如果光导在各个点的参数均一致，由于靠近光源侧的光入射率高，能量损失小，靠近光源侧的光导出光光强会很高，而距离光源远端的光导出光光强很快变弱，光导各点处光导齿参数一致的亮度仿真结果如图13所示，符合预估。

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

车灯光导 光强 均匀性 齿高 齿宽

U463.65+1

A

1000-3703（2016）12-0012-04