民用飞机新型光触媒净化装置的光学特性

张絮涵，汪光文，史乔升，曹 祎，张 存

(中国商用飞机有限责任公司，上海飞机设计研究院，上海 201210)

引言

光触媒(或光催化法)是指将TiO2等光催化剂以一定形式负载至吸附剂基材上，制得的固定化TiO2复合体在一定波长光线照射下降解气相或液相污染物的方法[1]。光催化反应降解室内挥发性有机化合物(volatile organic compounds，VOC)的本质是在光电转换中进行氧化还原反应，只有波长小于380 nm的紫外光才能激发TiO2产生导带电子和价带空穴，导致VOCs的氧化分解[2]。所以光触媒净化装置中必不可少的部件之一是发射紫外光的光学部件。在一种新型飞机管路式光触媒净化装置中，将紫外光发光二极管(ultraviolet light emitting diode，UV-LED)与导光板集成，以获得均匀有效的紫外光面光源，并具备耗电量低、发热量低、体积小、坚固耐用等诸多优点。

导光板的形状、材料及网点排布组成决定了导光板的表面照度、均匀性及出光效率[3]。福州大学徐胜[4]和黄炳乐[5]研究了不同参数(光源与导光板距离、导光板厚度、网点披覆率)对液晶显示器中LED背光源的亮度、均匀度和出光效率的影响；苏州大学的李晓建[6]和复旦大学的舒伟[7]从光出射效率函数的角度理论分析了液晶显示器LED背光模组中光源距离和网点高度对出光效率的影响；华侨大学戴文海[8]研究了发光键盘导光板中导光板厚度和光源距离对光耦合效果的影响；暨南大学张军和郭丹等[9]研究了手机侧背光楔形导光板在不同网点排布、不同楔形导光板底面角度及不同球缺形凸包网点对出光性能的影响；华侨大学黄明波等[10]、李建功等[11]和广州大学周英初等[12]分别对异形导光板(圆形或圆环)的网点进行了优化设计与仿真。

综上所述，目前对于导光板类面光源光学特性的研究主要集中在某种特定用途的导光板(如液晶显示器LED背光模组、LED平板灯、异形导光板等)，导光板尺寸以长宽比<2的方形为主，LED点光源入射方式以单侧入光为主。飞机管路式光触媒净化装置的特殊构型使得导光板限制为窄长型(长宽比≥4)、两端入光的形式，且LED点光源的波长需小于380 nm(即UV-LED)。现有资料中并没有对这种形式光学部件的光学特性研究。本文针对这一问题，建立了一种新型飞机管路式光触媒净化装置中光学部件的光学模型，并实验验证了仿真结果。基于光学仿真模型，研究了导光板厚度不同、点光源与导光板入光端面间距不同、网点高度不同、以及网点直径不同时的光学特性。

1 光学部件结构及网点陈列

根据飞机管路式光触媒净化装置的设计，光学部件其中一组套件的设计结构如图1所示。导光板尺寸为210 mm×49.5 mm×3.5 mm(长×宽×厚)。导光板两端各安装有三盏电功率为1 W的贴片式UV-LED，其波长为365 nm。

图1 光学部件设计结构示意图[13]Fig.1 Design framework of the optical component

针对窄长型导光板，能够获得均匀出光的网点需设计为非均匀布置形式，且保证导光板中段设置较大密度的网点，两端设置较小密度的网点。根据网点密度建议值10%～40%[4]，设计导光板的网点半径0.5 mm，网点阵列按高斯方程非均匀分布并平滑化处理，如图2所示。

图2 非均匀网点设计阵列示意图[13]Fig.2 Design of non-uniform dot array

2 光学仿真及结果

本文采用“普适光线追迹”技术，并基于蒙特卡洛算法对该光学部件进行光学模拟。其中，UV-LED光源假定为理想朗伯体，根据实际光源参数设置光通量为700 mW，波长365 nm。光学追迹时，按单盏灯35 000条光线(6盏灯共210 000条光线)求取结果。导光板材料为PMMA。为获得全反射效果，导光板上五个表面(除出光面以外)的面属性均设置为Perfect Mirror(完美镜面)。导光板上方设置一块完全吸收的观察板，用以观察导光板出光面的光强分布。该观察板下表面距离导光板出光面0.5 mm，面属性为Perfect Absorber(完美吸收面)。观察板反映出的模拟结果如图3所示，光强最大值为340.43 W/m2，平均值为277.21 W/m2。

图3 针对设计结构的光学模拟结果Fig.3 Optical simulation result of design component

针对导光板尺寸，采取五点取值法(图3中标注)来表征导光板的出光均匀度。即以观察板中心点为准，沿Y方向中轴线向两端每隔40 mm取值。则出光均匀度为

(1)

式中η为导光板出光均匀度；Imin为取值点中的光强最小值，W/m2；Imax为取值点中的光强最大值，W/m2。

光能利用率定义为

(2)

式中σ为导光板光能利用率；Φtotal为观察板上接收的总光通量；ΦUV-LED为UV-LED点光源发出的总光通量。

该设计构型的出光均匀度为

光能利用率为

认为光学部件的设计结构能够保证相当的出光均匀度和光能利用率，是一种可被接受的部件设计方案。

3 实验验证

本文组建了一套针对该净化装置中光学部件出光光强测试的试验台。试验台由密闭测试箱、感光探头定位支架和光强测试仪三部分组成。考虑到净化装置结构特殊，密闭测试箱和感光探头定位支架的数字模型均为自主设计，并用3D打印技术实现实物制作。数字模型如图4所示。

图4 试验台数字模型设计图Fig.4 Numeric model of test bench

出光光强测试仅针对一组光学部件，故密闭测试箱中仅穿过一片导光板。测试箱内表面和定位支架表面均敷设铝箔，以排除材料对紫外光的吸收作用。定位支架上的设置多个探头放置孔位，能够将紫外光测试仪的探头固定在距离导光板出光表面0.5 mm的水平位置，且按图3中的五点取值法进行定位。测试箱和定位支架的实体装配图如图5所示。

图5 测试台实体装配图Fig.5 Test bench assembly

紫外光光强检测仪选用台湾路昌Lutron紫外光强测试仪，型号UVA-365，是针对波长为365 nm紫外光的的专用测试仪器。如图5所示。

导光板中轴线上五测点的测量结果以及与仿真结果的误差如表1所示。可以看到测量结果普遍低于仿真结果，经分析认为是由不可避免的漏光现象或材料吸收特性导致。测试结果误差在仿真结果的10%以下，认为仿真结果有效。

表1 测量结果与仿真结果的误差Table 1 Error between measuring results and simulating results

4 光学特性分析

UV-LED点光源具有一定的发光角度，如何获得光源与导光板入光端面之间的最佳光耦合是尤为重要的。光耦合直接影响导光板的出光性能，主要分为两点：一是点光源与导光板入光端面距离固定时，导光板厚度取值多少能够获得最佳光耦合；二是导光板厚度固定时，点光源与导光板入光端面的距离为多少能获得最佳光耦合。

另外，在建议的最佳网点密度范围内，网点高度和网点尺寸也会影响导光板出光性能。下文会对这四种情况逐一分析。

4.1 导光板厚度对出光性能的影响

按当前市场上导光板的通用工艺，导光板厚度一般在3～6 mm之间。图6为不同厚度时，光学部件的光能利用率和出光均匀度。

图中可以看到，光能利用率和出光均匀度均随厚度的增加呈升高后递减的趋势。第一，鉴于UV-LED的宽度尺寸为3.5 mm，认为导光板厚度小于UV-LED宽度对出光性能及其不利；第二，导光板厚度与UV-LED宽度近似时，出光性能达到最佳，即导光板厚度4.0 mm时光能利用率达到峰值，导光板厚度3.5 mm时出光均匀度达到峰值；第三，导光板厚度过多的大于UV-LED宽度时，出光性能呈递减趋势。

图6 导光板厚度改变对出光性能的影响Fig.6 Light performance effected by the thickness of light guide plate

考虑到在网点设计时是依据导光板厚度3.5 mm进行优化的，故其出光均匀度达到峰值无可厚非。这里认为导光板厚度4.0 mm为光学部件的最佳出光性能参数。

4.2 UV-LED与导光板入光端面距离对出光性能的影响

UV-LED与导光板入光端面离得越近，则耦合进导光板的光线越多，但是导光板的端面亮斑会非常明显，继而影响导光板的出光性能。这里分析了导光板厚度4 mm时，UV-LED与导光板入光端面间距0～3 mm范围内，光学部件的光能利用率和出光均匀度，如图7所示。

图7 UV-LED与入光端面间距改变对出光性能的影响Fig.7 Light performance effected by the distance between UV-LED and light guide plate

从图7中可以看到，随着UV-LED与导光板入光端面间距增加，光能利用率逐渐降低，出光均匀度呈递增后递减的趋势。在光能利用率递减趋势平缓的情况下，间距1 mm时导光板的出光均匀度达到最高，认为此时可以获得光学部件的最佳出光性能。

4.3 网点高度对出光性能的影响

本文的设计网点为半球形网点，其网点高度是指在固定网点直径时半球形网点的高度。网点高度会影响入射光线在网点上的折射，从而影响出光性能。这里分析了导光板厚度4 mm时，UV-LED与导光板入光端面间距1 mm时，网点高度0.1～0.5 mm时，光学部件的光能利用率和出光均匀度，如图8所示。

图8 网点高度改变对出光性能的影响Fig.8 Light performance effected by dot height

图中可以看到，随着网点高度的增加，导光板的光能利用率和出光均匀度均有递增，这说明半球形网点越完整，光学部件的出光性能越好。这一点在现行的激光3D打点工艺中也有所体现。

4.4 网点直径对出光性能的影响

在网点密度建议范围为10%～40%，通过改变网点直径也能获得不同的出光性能。这里分析了导光板厚度4 mm时，UV-LED与导光板入光端面间距1 mm时，网点高度同网点半径时，光学部件的光能利用率和出光均匀度，如图9所示。

图9 网点直径改变对出光性能的影响Fig.9 Light performance effected by dot diameter

由图9可以看到，在相同的网点密度下，光能利用率的变化并不明显。出光均匀度在网点直径为0.5 mm处达到最佳只是因为前文在设计时依据该网点直径进行优化造成。可以认为无论怎样的网点直径，只要在网点密度建议范围内优化设计均能达到较好的出光均匀度，而网点直径的选择还要考虑打印糊板这样的工艺因素，不宜过低。基于对现行网点打印工艺的了解，这里认为网点直径为0.5 mm是合理选择。

5 总结

本文对自主研发的一种新型飞机管路式光触媒净化装置中的光学部件进行了建模仿真与实验验证，并着重研究了其光学特性。文中分析了导光板厚度不同、点光源与导光板入光端面间距不同、网点高度不同、以及网点直径不同时对出光性能的影响。得到结论如下：

1) 导光板厚度方面，厚度与UV-LED宽度近似时，出光性能达到最佳。本文的设计是在导光板厚度4.0 mm时为光学部件的最佳出光性能参数。

2) UV-LED与导光板入光端面间距方面，随着间距增加导光板的光能利用率逐渐降低，出光均匀度呈递增后递减的趋势。认为间距1 mm时获得光学部件的最佳出光性能。

3) 网点高度方面，随着网点高度的增加，导光板的光能利用率和出光均匀度均有递增，这说明半球形网点越完整，光学部件的出光性能越好。

4) 网点直径方面，只要在网点密度建议范围内，无论怎样的网点直径均能通过优化设计达到较好的出光均匀度，但网点直径的选择需要考虑工艺因素，不宜过低。