长光导氛围灯的光学特性及影响因素

董 晓，郑志军，华 成

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 研究背景和意义

目前汽车内饰氛围灯按照光源类型主要分为点光源氛围灯、线光源氛围灯以及面光源氛围灯，其中光导式氛围灯是最常见的线光源氛围灯。

其中，光导式氛围灯根据加工工艺可划分为注塑光导氛围灯和激光切割光导；根据发光长度又划分为短光导氛围灯和长光导氛围灯，具体划分标准为：长度≤400mm定义为短光导氛围灯（图1）；长度＞400mm定义为长光导氛围灯（图2）。

图1 短光导氛围灯

图2 长光导氛围灯

近年来，随着用户对驾乘体验要求的不断提升，车内氛围灯呈现出大面积发光的趋势，对于长光导氛围灯的应用需求也日益增加，随着发光长度的增加，产生开发难度也不断上升的问题。因此，本文主要研究影响激光打点长光导氛围灯光学特性的影响因素以及相关设计建议，对汽车长光导氛围灯的开发具有一定的指导意义。

2 长光导氛围灯光学特性

2.1 亮度

亮度（cd/㎡）是指光源或被照面上某一方向的单位面积的发光强度，是可以被人眼感知的。针对不同类型的长光导氛围灯规定不同的亮度要求，一般直接式长光导氛围灯亮度要求高于间接式氛围灯。在氛围灯零件组装完成后，需应用成像亮度计或光谱仪等仪器按照整车上一定的角度对亮度进行测量，要求其平均亮度需满足规定亮度值，若亮度超过规定要求，则要结合主观评价来确定最终的亮度值。

2.2 均匀性

车内氛围灯要求光照必须均匀，主要包括两个方面：①要求在长度方向上最高、最低亮度比不得超过一定的比例，通常对于整个发光区域会选取几条亮度曲线进行评价，如图3所示；②在长度方向的某一位置的截面上亮度不允许有较大差异，如图4所示。

图3 亮度曲线

图4 截面亮度曲线

2.3 光色

光色要求是根据目前国际上常用的两种色度标准CIE 1931 Yxy和CIE 1976 UCS来规定的，每个主机厂会针对每种颜色给出标准的中心色坐标值以及一定的偏差要求，即可得到标准光色范围。对于氛围灯光色的基本要求为：零件实测的每种颜色的色坐标值符合相应的标准光色范围，不得因点亮时间和环境温度的变化而产生颜色飘移（后文简称色飘）。

光色测试和评价方法如下：首先，氛围灯组装完成后，运用光谱仪对整灯所有颜色进行点亮测量，得到所有颜色的色坐标值；然后，将测量得到的色坐标值与标准光色范围进行对比，判断是否有色飘及偏差程度。

3 激光打点长光导氛围灯光学特性影响因素

长光导氛围灯的光学特性的好坏是直接影响氛围灯效果的关键，良好的发光效果可以给乘客带来愉悦的驾乘体验。而在长光导氛围灯的开发过程中，光学往往是开发难度最大的一点。因此，清楚各种光学特性的影响因素是至关重要的，可以对开发过程中出现的光学问题快速找到具体的原因及优化方法，极大地提升开发效率。

3.1 灯具自身相关影响因素

3.1.1 LED模组

LED（Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料。其发光原理是电致发光，当LED两端加上电压时，在电场的作用下激发电子由低能态跃迁到高能态，当这些电子从高能态回到低能态时，根据能量守恒，多余的能量就以光的形式释放。

LED发出多种颜色的原理为：由于不同的光有不同的波长，不同的波长使光呈现不同的颜色，而LED发光的波长取决材料的PN结宽度，根据PN结不同，所以LED的发光色彩与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造LED所用的半导体材料。

为了研究LED模组对亮度的影响，我们选取了常用的不同品牌的LED进行了亮度对比测量，得出结论为：不同型号的LED能输出的最大光通量不同，因此LED的选择直接决定了氛围灯整体亮度。

3.1.2 驱动电流

为了研究驱动电流对亮度的影响，我们将测试电压固定为13.5V，在常温（25℃）和高温（85℃）条件下，使用同一型号LED和相同型号的芯片进行测试，得出的结论为：通过改变电流来调节LED的光输出，在未到达上限前，电流越大，LED光输出越大。LED随着温度升高亮度降低，增大产品的输出电流势必增加温度，使电子元器件处于极限工作状态，会降低产品的使用寿命。

3.1.3 LED与光导安装固定方式

目前最常见的LED与光导的安装固定方式主要是卡接，安装过程中主要关注的是定位精度。LED与光导的定位精度主要影响亮度和光色。

首先，LED与光导相对位置的准确性直接影响到LED所发射光线进入光导的比例，比例越高则亮度越高，反之则亮度越低。

其次，定位不准确会造成三原色进入光导的比例发生差异，进而体现为整体颜色发生偏差。

因此，定位精度越高，越接近理论设计状态，越有利于减小亮度偏差和色飘的可能性。一般要求光导与LED模组中的PCB板有直接定位关系。

3.1.4 LED与光导距离

LED与光导的距离主要对长光导氛围灯的亮度产生影响。为了研究具体影响方式，选取某品牌的LED进行不同距离下的光利用率的测量，测量结果汇总如图5所示。

图5 LED与光导距离

根据测量结果得出结论为：LED与光导距离越近，则光源利用率越高，但是距离过近会产生光导与LED碰撞的风险。

3.2 光导相关因素

1）光学结构设计。光学齿导光原理是：光导内部的光线经过光学齿反射，改变传递方向，从光导齿正对的介质面出射。根据光学齿的属性不同，对发光效率的影响也不同，方便控制出光方向，也可以通过磨砂/散射材料面罩使光线进一步散射，提升均匀性，使用白色支架可使后部光线折回，提升亮度。为了研究具体影响方式，将光学齿的间距、高度、宽度和齿倾角设置变量，来测量长光导的光学性质。得出结论为：在不同间距条件下，间距越大，亮度越低，齿痕越明显，间距一般不超过3mm；不同高度条件下，高度越小，亮度越低，倒角后一般不低于0.05mm；不同宽度条件下，宽度越小，亮度越低，宽度一般在1～2mm之间；不同齿倾角条件下，决定出光方向，一般40°左右，使出光方向近似垂直光导，过小的start angle无法使光打向光导正面，过大的start angle出光效率极低。

2）光导材料。光导（light guide）是一种把LED发出的光从PCB上导向前面板或者需要发光的位置的结构件，一般采用PC材料或者PMMA材料制成，具有很好的导光性能。为了研究光导材料对光学特性的影响，选取不同材质的光导进行实验，得出结论为：材料透过率越高，光导亮度越高，并且材料中有杂质会影响均匀性。所以通常使用PC或PMMA作为光导材料，PMMA材料的光导色散小、通透性好且不容易发黄，所以优选PMMA材料。

3）光导皮纹。皮纹结构相较于光学齿结构而言，结构更加简单且不易大角度改变出光方向；外观不会出现条纹，出光面效果细腻均匀。不同型号的皮纹结构对光导的光学特性影响也不同，为了研究不同型号皮纹结构对光学特性的影响，选取了3种不同型号的皮纹结构进行测试，得出结论为：皮纹表面粗糙度越大，则密度越大，光导皮纹区域亮度就越高，均匀性也就越好，但是光导色飘就会越严重。所以，在长光导上皮纹通常用来增加局部亮度，优化均匀性；在外透镜上，皮纹通常用于提升均匀性。

4）光导长度。光导的长度也是影响光学特性的条件之一，为了研究具体影响方式，选取一根1000mm的长光导，点亮后在每200mm处进行截面的测量，测量结果见图6。

图6 光导长度影响方式

结论为：光导长度越长，平均亮度就越低，光衰减越多，尾端越暗，均匀性就越差；尾部相对于头部来说色飘也就越明显，所以一般单个灯头光导长度应控制在550mm以内。

5）光导折弯半径。光导的光学特性不仅仅与材料、长度等因素有关，它的折弯半径也会影响光导的光学特性。为了研究具体影响方式，将3根折弯半径分别为30mm、40mm和50mm的光导点亮进行测量，得出结论为：光导折弯半径弧度越大，光损失就越多，尾端亮度就越低，而且会出现亮斑或者暗区，影响均匀性，色飘也会越严重；在入光端的光导弧度如果过大的话，也不利于混光。所以一般激光打点长光导的折弯角度应大于135°，折弯半径应大于50mm。

6）入光区（混光区）长度。为了研究入光区长度对长光导光学特性的影响，我们选取了一条长光导进行点亮测量，测量结果见图7。

图7 光导入光区光学效果

结论为：入光区过短，部分光逃逸，会导致整体亮度变暗，会出现发彩和亮斑，如果RGB三原色没有混合均匀，也会引起整体的色飘。

3.3 支架及Lens相关因素

1）支架表面处理。光导支架的材质一般是PC、ABS或PP材质，PC和ABS材质硬度偏高，与PMMA光导易出现异响，PP材质低温易变脆，不耐磨，而且容易老化。支架上光导反射面的处理也会影响光导的光学特性。为了研究具体影响方式，设置2个表面做不同处理的支架进行光学模拟，一个光洁面，另一个做镀铬处理，模拟数据如图8所示。

图8 支架上光导反射面表面处理对亮度影响

结论为：支架表面处理对亮度的影响不大，增加支架光泽度或做镀铬处理可以提升亮度。

2）支架颜色。一般选用冷白色、米白色、正白色和黑色。为了研究不同颜色的支架对光导光学特性的影响，选取这4种不同颜色的支架来进行测量，得出的结论为：白色支架反射率高，亮度高，但是均匀性较差；黑色支架吸收率高，亮度较低，但均匀性较好；支架本身不会引起色飘，但不同颜色的支架会对整体光色产生影响。所以通常亮度充足的条件下，推荐采用黑色支架；亮度不足的条件下，考虑采用浅色支架（优先考虑正白色）以提升亮度，但需要减少支架上的安装结构，以保证均匀性。

3）安装结构。激光打点长光导常用安装方式为卡接，卡扣设计不当会在卡扣区域形成暗影，影响均匀性。卡扣位置支架优先级大于光导，光导尾端优先级大于头部，非出光区域优先级大于出光区域。

4）Lens材料及厚度。透镜（Lens）是根据光的折射规律制成，由透明物质制成的一种光学元件。Lens的材料也是影响光导光学特性的因素之一，为了研究具体影响方式，选取两种不同扩散系数材料的Lens进行测量，实验结果如图9所示。

图9 Lens材料对亮度影响

结论为：Lens材料扩散系数越大，透光率越低，亮度越暗，氛围灯各方向越容易均匀，扩散系数越小，透光率越高，亮度越亮，氛围灯各方向越容易不均匀。

3.4 环境件相关影响因素

3.4.1 被照面参数

常用的被照面材质有PU表皮、PVC、塑料件（皮纹/喷漆）、织物和IMD膜片，被照面的材质、颜色和皮纹都是影响光学特性的因素。图10是不同被照面呈现出的效果。

图10 被照面材质对亮度的影响

为了研究具体影响方式，分别以不同材质、颜色和皮纹的被照面作为变量进行测量对比，得出的结论为：被照面的材质、颜色和皮纹会直接影响亮度，浅色被照面亮度高于深色被照面亮度，细皮纹亮度高于粗皮纹亮度；氛围灯的皮纹大小以及花纹会影响氛围灯的均匀性，粗皮纹均匀性要大于细皮纹均匀性；被照面不会影响光导的色飘，但是浅色被照面会加大人眼对色飘的识别度。

所以通常被照面反射率不可过高，否则会反射出光学齿；被照面区域应避免使用镀铬、高光反射材质，否则会出现齿痕、眩目问题。

3.4.2 被照面与光导的相对位置

为了研究被照面与光导的相对位置对光学特性的影响，对被照面和光导的距离、角度设置变量进行测量，得出结论为：光导的位置、缝宽、被照面一定时，被照面与光导距离越近，亮度就越高；被照面与光导的距离和被照面的角度整体是否保持一致，直接影响氛围灯的均匀性；光导位置、缝宽、距被照面距离一定时，被照面角度越大，光照宽度就越大。

所以通常建议被照面与光导距离为10mm±20%，过大会导致光利用率较低，过小会导致光宽过窄，且容易产生齿印；被照面角度为60°±10%，太大会导致光利用率低，亮度低；过小会导致照亮宽度过窄；被照面与光导的距离、被照面的角度，氛围灯区域需保持一致。

3.4.3 出光缝隙宽度

为了研究出光缝隙宽度对光学特性的影响，对出光缝隙的宽度设置变量进行测量，宽度分别为2.5mm、3.5mm和4.5mm，测量结果如图11所示。

图11 出光缝隙宽度对亮度影响

结论为：缝宽的大小对主亮区亮度不会产生影响；氛围灯前后缝宽是否一致会直接影响氛围灯的均匀性；缝宽宽度越大，光宽就越宽；缝宽宽度越小，光宽就越窄。所以通常造型设计阶段，需要要求氛围灯前后缝宽保持一致。建议缝宽为4mm，缝宽过大，客户手指会触摸到光导；缝宽过小，光利用率较低，光照亮度和宽度将无法满足要求。

3.4.4 观察角度

在不考虑颜色条件下，反射材质特性：反射率（Reflection）=朗伯反射+高斯反射+镜面反射。

朗伯反射（Lambertian）：散射不分方向，对均匀性最有利；镜面反射（Specular）：散射方向性最强，光源、被照面法线、反射角三者成镜面关系；高斯反射（Gaussian）：在镜面反射基础上具有一定扩散特性，在镜面方向会观察到亮度明显变强。

为了研究观察角度对光学特性的影响，在不同角度位置对其进行观察测量，得出的结论为：高斯散射为主的被照面，人眼、被照面法线、光导成镜像关系时亮度最大；朗伯散射为主的被照面，观察角度垂直被照面时亮度最大。镜面反射或高斯散射为主的被照面，光线方向性强，但均匀性较差；朗伯散射为主的被照面，各角度均匀性差异不大。所以通常被照面区域应避免使用镀铬、高光等高反射材质。

4 总结

本文主要研究了激光打点长光导氛围灯光学特性的影响因素，主要与灯具自身和环境件有关；灯具自身因素包括LED相关因素、光导相关因素、支架及Lens相关因素，环境件因素包括被照面参数、被照面与光导的相对位置、出光缝隙宽度和观察角度。根据不同条件及参数进行模拟或实验，来对激光打点长光导氛围灯的光学特性和其影响因素进行关联，总结出相关知识和关系，对后续汽车长光导氛围灯的开发进行参考或借鉴。