汽車用導(dǎo)光體導(dǎo)光效率研究

【摘 要】汽車內(nèi)諸如各類開關(guān)背光、工作指示、氛圍燈等光照均勻性及亮度效果的達(dá)成，通常都依賴于導(dǎo)光體。導(dǎo)光體通常由透明塑料（如PC、PMMA等）制作而成，且導(dǎo)光體會被彎曲成各種各樣的角度，以契合不同位置的光照效果。然而，其彎折角度與截面尺寸會對導(dǎo)光體的導(dǎo)光效率產(chǎn)生作用。文章將分別把彎折角度、截面半徑設(shè)定為獨立變量，探究二者對導(dǎo)光效率的具體影響，并歸納其中的規(guī)律，用于指導(dǎo)導(dǎo)光體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)光體；彎折角度；截面半徑；導(dǎo)光效率

中圖分類號：U463.65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

作者簡介

劉國承，男，工程師，從事汽車零部件CAE仿真工作。

由于導(dǎo)光體制作成本低、模具簡單，且能滿足各種角度、方向的照明需求，因而導(dǎo)光體在汽車內(nèi)飾產(chǎn)品中得到了廣泛的運用。但導(dǎo)光體的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要達(dá)到導(dǎo)光效率高、出光均勻的要求[1]。導(dǎo)光效率會對LED的使用數(shù)量、LED的功率等產(chǎn)生影響，所以這是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求。導(dǎo)光體一旦發(fā)生彎折，光能就會出現(xiàn)損失，而彎折的角度、截面的尺寸對損失的大小有著直接的關(guān)聯(lián)，所以導(dǎo)光體尺寸的設(shè)計極為關(guān)鍵。本文采用TracePro光學(xué)仿真軟件，對各種截面尺寸和彎折角度的導(dǎo)光體進(jìn)行導(dǎo)光效率計算，并匯總計算結(jié)果，總結(jié)影響規(guī)律。

1 導(dǎo)光體原理

導(dǎo)光體的結(jié)構(gòu)會根據(jù)使用場景進(jìn)行多種變換。導(dǎo)光體一般有聚光、擴(kuò)大光的照射范圍、改變光的傳播方向等作用。常見導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

導(dǎo)光體的導(dǎo)光是應(yīng)用光的全反射原理[2]，如圖2所示。使光在其內(nèi)部發(fā)生全反射，在傳播路徑上盡量少地發(fā)生透射，以提高光的利用率。發(fā)生全反射時的臨界入射角見式（1）。

sinθC=n₁/n₂ （1）

式中：θ_C——臨界角；n₁——光疏介質(zhì)折射率；n₂——光密介質(zhì)折射率；n₁<n₂。

由于LED發(fā)出的光為空間散射型[3]，并非平行光，所以導(dǎo)光體無法實現(xiàn)完全的全反射。而且，由于導(dǎo)光體表面粗糙度的影響，還會導(dǎo)致光發(fā)生透射。這些都是客觀存在的因素，無法避免。LED的發(fā)光強度與發(fā)射角度關(guān)系（配光曲線）如圖3所示。導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點工作就是要讓盡量多的光發(fā)生全反射，減少因結(jié)構(gòu)因素造成光的透射。

2 試驗數(shù)據(jù)設(shè)計

本研究設(shè)計了3種直徑的圓柱形導(dǎo)光體，導(dǎo)光體的入光面與出光面位置不變，也就是h、b保持不變，以貼近實際工況。同時，為每種直徑的導(dǎo)光體設(shè)計7～8種尺寸的彎折部位的過渡圓角。導(dǎo)光體的結(jié)構(gòu)如圖4所示，導(dǎo)光體結(jié)構(gòu)變量見表1。

3 仿真分析

本研究所用LED為DOMONANT公司DDW-HJG-XY1-H1白色光源，導(dǎo)光體材料為Covestro公司Makrolon PC 2807 550115透明材料，仿真所用光線數(shù)為5E5。仿真后讀取導(dǎo)光體照度仿真結(jié)果中的末端面的光通量/發(fā)射光通量的值，以及各直徑導(dǎo)光體的入光面光通量/發(fā)射光通量的值（入光面此值只與導(dǎo)光體直徑相關(guān)）。最終導(dǎo)光體的導(dǎo)光效率按式（2）計算。

η=末端面的光通量/發(fā)射光通量/入光面光通量/發(fā)射光通量 （2）

經(jīng)計算，其中直徑為2.4mm的入光面照度仿真結(jié)果如圖5所示。直徑為2.4mm，不同過渡圓角的導(dǎo)光體，末端照度仿真結(jié)果如圖6所示。所有尺寸仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表2所示。

經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，效率與導(dǎo)光體彎折部位過渡半徑/導(dǎo)光體直徑的值有關(guān)（表中彎徑比）。統(tǒng)計結(jié)果曲線如圖7所示。結(jié)果顯示，隨著彎徑比的增大，導(dǎo)光體的效率呈指數(shù)形式上升，當(dāng)彎徑比超過2以后，上升基本趨于穩(wěn)定，且導(dǎo)光體直徑越大，此值會越大。

4 結(jié)論

通過對導(dǎo)光體的直徑和彎折半徑對于導(dǎo)光效率的對比研究，能夠得出如下結(jié)論：①導(dǎo)光體的導(dǎo)光效率與導(dǎo)光體彎折部位過渡半徑/導(dǎo)光體直徑的值有關(guān)（文中彎徑比）；②彎徑比越高，導(dǎo)光效率越高，但當(dāng)彎徑比超過一定數(shù)值后，導(dǎo)光效率幾乎不再增加，此值一般大于2；③導(dǎo)光體直徑越大，為提高導(dǎo)光效率，所需導(dǎo)光體彎徑比越大；④前期設(shè)計時，可使用光學(xué)仿真軟件TracePro進(jìn)行導(dǎo)光效率評估。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛現(xiàn)龍. 基于開關(guān)背光及工作指示燈亮度均勻性影響因素分析[J]. 汽車電器，2017（3）：33-37.

[2] 王志堅，王鵬，劉智穎. 光學(xué)工程原理[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 毛學(xué)軍. LED應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2021.

（編輯 凌 波）