1、Light Guide Technique鼎光技術Using LED Lam腐用 LE酰源Application Brief I-003導光柱是什么導光柱就是將光以最小的損耗從 一個光源傳輸到距離該光源一定 距離的另一個點的裝置。光線是依靠全內反射在導光柱內 部傳輸的。導光柱通常是采用光學材料制 成，如：丙烯酸樹脂、聚碳酸酯、 環氧樹脂和玻璃。導光柱可以用來將 PCB上LED的 光傳輸到產品面板上來顯示相關 的狀態，也可以聚集和指引光線 用做LCD顯示屏的背光，同時也 可以用來照亮在透過式窗口上的 圖案。這篇文章論述了簡單的導光柱的 設計方法以適應這樣或那樣的應 用。基本原理Snell定律：當

2、光線入射到兩種不 同的介質的交界面時，例如塑料 和空氣，光線會在通過這個交界 面時產生折射，如圖 1所示。光 線射入這個交界面的角度叫做入 射角 心，光線離開交界面的角度 叫折射角爐Snell 定律：ni* sin 4 = nf* sin f圖1Snell定律規定:第一種介質的折射率ni乘以入射角4 i的正弦值，等于第二種介質的折射率nf乘以折射角4 f的正弦值鏡面反射定律：鏡面反射定律是這樣定 義的，光線的入射角與反射角相等，如 圖2所示，鏡面反射光線是沒有損耗的。Fresnel Loss菲涅耳損耗：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，如

3、圖2所示。這種損耗稱作菲涅耳損耗，可 以用下面的公式進行計算：-.2Fresnel Loss = 100 * " - 嗎ni + nf對于光線從塑料射入空氣和從玻璃射入空氣這兩種情況下菲涅耳損耗都是4%Fresnel Loss = 100" 1丹 |=4%1.50 + 1.00 一當光線從折射率低的介質進入折射率高的介質時，折射角4 f會小于入射角 心，相反, 折射角4 f會大于入射角 軌如圖3所示光 線穿過一個表面平行的塑料（玻璃）板。REFRACILD LIGHT RAY完全內反射：當折射角等于90。時，入射光將會OF IMCICENTRAYPARALLEL TO IN

4、CIDENT RAY折射并沿著兩種介質的交界面傳播，如圖4所示。這時sin 4 f (90 =,因此Snell定律就簡化成ni* sin 4 i = n這個公式可以用來計算產生完全 內反射的臨界入射角4 cIlfsin 帆=內空氣的折射率為，所以上式中的nf =,因此只要知道導光柱所采用的介質的折射率就能夠迅 速計算出這種介質內產生完全內反射的臨界入 射角.EXF LIGHT RAYINCIDENT LIGHT RAYS8 CRITICAL ANGLEPi < Qc -OR EX FLIGHT RAY金叮九 FOR TOTAL INTERNAL REFLECTION對于絕大多數的塑料和玻

5、璃，它們的折射率約 為，因此，對于采用這兩種材質制成的導光柱的 完全內反射臨界角約為42。sin 0c =0,6671,50導光柱內部與外界空氣的交界面上產生的鏡面 反射可以用來幫助在導光柱內傳輸光線。當光線在導光柱內與導光柱表面的入射角達到 或大于42。時，將會在導光柱內部完全反射。臨界角小于45。的材料都非常適合用來制作導光柱，因為用這種材料可以制作成45。角反射面的導光柱。光線跟蹤法：光線跟蹤法可以用來分析和跟蹤光圖4線進入、穿過和射出一個導光柱的路徑。Snell定律、菲涅耳損耗和鏡面反射定律可以應用在所 有導光柱表面的光線傳播方向的分析上。這篇文章中應用光線追蹤法來舉例說明如何進 行導

6、光柱的設計。導光柱設計在進行導光柱設計時首先需 要考慮3個問題：有效的光通量耦合，以保證LED燈發射出的光線以最小的 損耗進入導光柱內部 如何將光線通過導光柱傳輸 到輸出端如何讓光線以最小的損耗從 輸出端射出將LED光線耦合進導光柱內：在保證LED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的耦 合進導光柱的進入端，光線應當以最小 的損耗被導光柱所捕獲。通常情況下，如果LED在導光柱的外部, 并且與導光柱之間有空氣間隙時光線的 耦合和捕獲效率是較低的，相反，如果 LED處于導光柱表面空氣的交界面內部 時，效率是最高的。當LED在導光柱外部時，如圖 5所示, 在這種情況下只有在 LE

7、D指示燈的光線輻射角與導光柱的光線接收角相匹配的情 況下耦合效率才會較高。因此很難做到高效的 光耦合，絕大部分 LED產生的光都會損失掉。在這樣的結構設方t下只有小于10%的光通量能被耦合進導光柱內。在這種情況下如果采用一個凸透鏡將LED輸出的光線進行聚焦后耦合到導光柱內，如圖6所示，并且聚焦后的光線剛好與導光柱輸入端 相匹配的話，光線捕獲率可以達到 80%。但是 這樣的設計需要能夠精確控制透鏡與LED和導光柱之間的距離以保證正確的焦距，無疑會增加產品的成本。LED LAMPLESS THAN 10% FLUX CAPTURELIGHT GUIDEFLUX FOCUSING LENSUP TO

8、 白0% FLUX CAPTURE導光柱最佳最有效的設計就是將LED固定到導光柱的內部， 如圖7a所示。在這 種結本中LED是植入導光柱內部的，LED 發出的所有光線全部會被導光柱所捕 獲，考慮到LED與導光柱之間存在空氣 間隙而產生的菲涅耳損耗，光線捕獲率 可以達到92%。這種設計推薦應用在圓 頂封裝的 LED如T-13/4、T-1和微型 LED 上。如果將LED用光學環氧膠粘合到導光 柱內部，如圖7b所示，LED與導光柱 之間將沒有空氣間隙因此也就沒有菲 涅耳損耗，光線捕獲率將會達到100% 在絕大部分導光柱的應用中，這種方 法既是不實際的也是不必要的。本篇文章中所有推薦的導光柱設計都 是

9、以假設LED與導光柱之間存在空氣 間隙為前提的。圖7a LED定位在導光柱內部以獲得最高的光線捕獲率導光柱的物理特質：導光柱外表面的光滑是導光柱正常工作的重要保證，如圖 8所示。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，這樣光線 才能夠在其表面產生完全內反射。 導光柱的側壁可以涂上白色反光涂料 以反射角度小于臨界角的光線，否則 這些光線將會從導光柱側壁逃逸到空 氣中造成損耗。導光柱的入口應當光 滑并與LED外形匹配以保證高效的捕 獲LED的光線，保證光線以最小的反 射和散射進入導光柱內部。導光柱的出口應當是散射的，一個散射 的出口端在其表面具遍布隨機的臨界角 以保證光線可以從導

10、光柱內部逃逸出 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出 口端都是鳧的。導光柱可以制作成任何形狀，圓柱形、 方形、錐形（尺寸從入口到出口逐漸增 加）或任何特殊形狀（箭頭、星型、半圖7bSMOOTH FLAT OR CONCAVECONTOURED SURFACE TOMATCH LED LAMPlightguideSMOOTH iMIRROR)OPTIONAL WHITE LIGHT REFLECTING PAINT ON EXTERIOR SURFACEDIFFUSED EXIT SURFACEEXTERIOR SURFACEROUNDED CORNERS0

11、5 mm (0.020 IN.)MINIMUM RADIUS月形等等） 對于矩形和特殊形狀的導光柱，其拐角 必須是圓角，半徑不小于，不能有尖角， 以保證拐角處的照明。導光柱的形狀應當沿著其長度逐漸變化，例如從入口處與 LED相匹配的圓形 到出口處的正方形應當如圖 8所示逐漸 變化。適應不同種類LED的導光柱入口： 導光柱的入口應當光滑并且平坦或者內 凹并匹配LED的外形以保證高效的耦合 和捕獲光線。圖9貼片LED導光柱圖8導光柱的基本特征，圖中是一個從圓形輸入端漸變到方形輸出端的導光柱YQKfZEMJ SMTPC BOARDFLUX CAPTURE圖10光滑內凹輸入端的導光柱將提高光線捕獲能力

12、對于貼片LED其發光區域是平坦的表 面，導光柱的輸入端應當做成光滑的與 LED表面平行的平面，導光柱輸入端貼 近LED以提高光通量耦合效率，如圖9所示。導光柱的輸入端需要比LED的發光面略大以保證捕獲 92%的光線。貼片LED的封裝一般是立方體，光線是 發散的，既從頂部射出也從側面射出。只有40%的光是從LED頂部射出的，另 外60%的光是從LED側面射出的。因此, 對于這種輸入端是平面的導光柱來說只 有40%的光可以被導光柱捕獲，其余的 光通量就損失掉了。效提高光通量的捕獲率，如圖10所示。 大約70%-80%的光量可以被導光柱捕 獲，光量的損失減小到 20%至30%。 這種內凹的設計可以應

13、用于任何導光 柱與LED的組合以提高光通的耦合率 和光線捕獲能力。在圖11中，這種下沉式貼片 LED是設 計用來將光照射至 PCB板的反面的。這種LED定位在PCB上的孔中央，相 比于表面貼片LED,內凹的導光柱可以 捕獲更多的光量。LIGHT GUIDEM 3M LED LAMPa92% FLUX CAPTURET-l 3/4, T-1 LED LAMPRECOMMENDED INSERTION OF LAMP TO FLANGE AT BASE OF LAMP PACKAGE一個具有光滑內凹輸入端的導光柱將有MINIMUM INSERTION FOR M 3t4 LAMP TO LED R

14、EFLECTOR CUP圖12 T-1 34 LED插入導光柱輸入端以獲得更高的光通量耦合對于T-1 3/4的彩色擴散 LED, LED插入 導光柱輸入端的最小深度應當保證LED反光杯以上的部分全部插入導光柱的輸 入端內，以保證光通量的耦合效率，如 圖12所示。這樣可以保證 92%的耦合效 率。如果想獲得最佳的耦合效率，推薦 將整個LED從底面以上全部插入導光柱 內部。對于T-1 3/4 LED,導光柱輸入端孔徑應 當在至，孔的末端應當是光滑的球型穹大，以保證92%的光能夠被捕獲。導光柱的散射輸出端：散射的輸出端 能夠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，以 保證光線在這

15、個面上能夠較容易的逃 脫出去。從這個表面逃逸的光線以隨機的角度 射出從而形成一個寬角度的照射范 圍，如圖14所示。SMOOTH. FLAT SURFACE ENTRANCE END圖13條形LED光源的導光柱面。最小孔¥以保證 LED的最小插入深 度，最小孔¥以保證 LED完全插入導光 柱內。對于T-1 LED孔徑應當在至。這種 LED 必須完全插入導光柱內才能獲得較高的 光通量耦合，導光柱最小孔深。對于長條形的LED也可以作為導光柱的 光源，這種LED具有較大面積的平面發 光區域。因此，為保證最佳的耦合效率， 導光柱的輸入端也應當是光滑的平面， 并且靠近和覆蓋光源的整個發光表面， 如圖13所示。導光柱的輸入端面積應當比光源面積略LED LAMPINTO A AIDE RADIATION PATTERNOF LIGHT RAYS ESCAPINGDIFFUSED EXIT SURFACE ENHANCES THE PROBABILITY圖14導光柱的散射表面DIAMETE