汽车用导光体导光效率研究

【摘 要】汽车内诸如各类开关背光、工作指示、氛围灯等光照均匀性及亮度效果的达成，通常都依赖于导光体。导光体通常由透明塑料（如PC、PMMA等）制作而成，且导光体会被弯曲成各种各样的角度，以契合不同位置的光照效果。然而，其弯折角度与截面尺寸会对导光体的导光效率产生作用。文章将分别把弯折角度、截面半径设定为独立变量，探究二者对导光效率的具体影响，并归纳其中的规律，用于指导导光体的结构设计。

【关键词】导光体；弯折角度；截面半径；导光效率

中图分类号：U463.65 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）10-0047-02

Study on Efficiency of Light Guide for Automobile

LIU Guocheng，WU Sihai，CHEN Jie，HAN Houji

（Zhejiang Changjiang Automotive Electronics Co.，Ltd.，Wenzhou 325000，China）

【Abstract】The achievement of illumination uniformity and brightness effect in automobile，such as all kinds of switch backlights，working indicators，atmosphere lights，etc.，usually depends on the light guide. The light guide body is usually made of transparent plastic（such as PC、PMMA、etc.），and the l0m0eu/aPIQAxaoQDmueruQ==ight guide will be bent into a variety of angles to fit the lighting effect of different positions. However，its bending angle and cross-section size will affect the light guiding efficiency of the light guide. In this paper，the bending angle and section radius are set as independent variables to explore the specific effects of the two on the light guiding efficiency，and the rules are summarized to guide the structural design of the light guiding body.

【Key words】light guide；bending angle；section radius；light conduction efficiency

作者简介

刘国承，男，工程师，从事汽车零部件CAE仿真工作。

由于导光体制作成本低、模具简单，且能满足各种角度、方向的照明需求，因而导光体在汽车内饰产品中得到了广泛的运用。但导光体的结构设计需要达到导光效率高、出光均匀的要求[1]。导光效率会对LED的使用数量、LED的功率等产生影响，所以这是其结构设计的基本要求。导光体一旦发生弯折，光能就会出现损失，而弯折的角度、截面的尺寸对损失的大小有着直接的关联，所以导光体尺寸的设计极为关键。本文采用TracePro光学仿真软件，对各种截面尺寸和弯折角度的导光体进行导光效率计算，并汇总计算结果，总结影响规律。

1 导光体原理

导光体的结构会根据使用场景进行多种变换。导光体一般有聚光、扩大光的照射范围、改变光的传播方向等作用。常见导光体结构如图1所示。

导光体的导光是应用光的全反射原理[2]，如图2所示。使光在其内部发生全反射，在传播路径上尽量少地发生透射，以提高光的利用率。发生全反射时的临界入射角见式（1）。

sinθC=n₁/n₂ （1）

式中：θ_C——临界角；n₁——光疏介质折射率；n₂——光密介质折射率；n₁<n₂。

由于LED发出的光为空间散射型[3]，并非平行光，所以导光体无法实现完全的全反射。而且，由于导光体表面粗糙度的影响，还会导致光发生透射。这些都是客观存在的因素，无法避免。LED的发光强度与发射角度关系（配光曲线）如图3所示。导光体结构设计的重点工作就是要让尽量多的光发生全反射，减少因结构因素造成光的透射。

2 试验数据设计

本研究设计了3种直径的圆柱形导光体，导光体的入光面与出光面位置不变，也就是h、b保持不变，以贴近实际工况。同时，为每种直径的导光体设计7～8种尺寸的弯折部位的过渡圆角。导光体的结构如图4所示，导光体结构变量见表1。

3 仿真分析

本研究所用LED为DOMONANT公司DDW-HJG-XY1-H1白色光源，导光体材料为Covestro公司Makrolon PC 2807 550115透明材料，仿真所用光线数为5E5。仿真后读取导光体照度仿真结果中的末端面的光通量/发射光通量的值，以及各直径导光体的入光面光通量/发射光通量的值（入光面此值只与导光体直径相关）。最终导光体的导光效率按式（2）计算。

η=末端面的光通量/发射光通量/入光面光通量/发射光通量 （2）

经计算，其中直径为2.4mm的入光面照度仿真结果如图5所示。直径为2.4mm，不同过渡圆角的导光体，末端照度仿真结果如图6所示。所有尺寸仿真结果数据如表2所示。

经统计发现，效率与导光体弯折部位过渡半径/导光体直径的值有关（表中弯径比）。统计结果曲线如图7所示。结果显示，随着弯径比的增大，导光体的效率呈指数形式上升，当弯径比超过2以后，上升基本趋于稳定，且导光体直径越大，此值会越大。

4 结论

通过对导光体的直径和弯折半径对于导光效率的对比研究，能够得出如下结论：①导光体的导光效率与导光体弯折部位过渡半径/导光体直径的值有关（文中弯径比）；②弯径比越高，导光效率越高，但当弯径比超过一定数值后，导光效率几乎不再增加，此值一般大于2；③导光体直径越大，为提高导光效率，所需导光体弯径比越大；④前期设计时，可使用光学仿真软件TracePro进行导光效率评估。

参考文献：

[1] 薛现龙. 基于开关背光及工作指示灯亮度均匀性影响因素分析[J]. 汽车电器，2017（3）：33-37.

[2] 王志坚，王鹏，刘智颖. 光学工程原理[M]. 北京：国防工业出版社，2010.

[3] 毛学军. LED应用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2021.

（编辑 凌 波）