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技术文章 | 光导设计参数对光强影响研究

标题:The study on the influence of design parameters onLuminous intensity

作者:LiHuqiang1   HanHongliang2

单位:1. China Faw group corporation R&D center,Chang-chun 130011
编译:井硕 李奕帆
指导老师:林燕丹

一、 引言


随着汽车造型的飞速发展,造型师对汽车灯具提出了越来越苛刻要求,灯具不仅需要给用户提供良好的夜间照明及警示作用,同时也是体现主机厂造型特点,给消费者营造良好视觉感官的必备部件,光导在灯具上广泛的应用能够极大的满足这种需求。而光导技术的发光效率和发光均匀性一直是设计者关注的重中之重,如何在LED芯片相同的情况下通过优化光导结构参数提高光照强度和均匀性成为了设计者研究的热点。

本文的重点就通过利用SPEOS CAA V5光学设计软件进行建模、模拟仿真,得出各个参数的变化对光导发光效率的影响,从而指导实际项目。


二、 光导类型、设计参数


1

常用光导的结构形式

(1)直线光导类

这类光导的外形一般为直线形或曲率较小的弧线形,光导花纹的锯齿间一般没有间隙,这样可以保证较高的光利用率,具体形式及细节见图1。

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图 1直线光导及细节

(2)弯曲光导类

此类光导的结构与直线类光导相同,但光导的曲率很大,有时甚至为圆形光导,在曲率较大的区域一般在锯齿间设计间隔。

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图 2弯曲光导及细节

(3)柔性光导类

这类光导有着以上几种光导不及的众多优点:侧面出光均匀,光利用率高,允许弯曲角度大等,但成本偏高;其结构为:外层为透明塑料保护套,内部为多根直径约70μm的光纤密布排列组成(见图3),每根光纤则由内部的玻璃纤心和外部的玻璃包层构成,而光导的侧面发光是由于纤心和包层界面的散射核而产生侧面散射(图4)。


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图 3柔性光导结构

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图4 单根光导纤维发光原理

本文主要研究直线类和弯曲类两种类型的光导设计参数。


2

光导设计参数说明

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图 5光导设计参数

如图5,光导设计的参数一般包括:

齿高(h):光导本体距离锯齿最顶点的距离;

齿宽(L):锯齿本身的宽度;

齿距(s):单个锯齿的长度;

起始角(α):单个锯齿上靠近光导光源方向的内角角度;

结束角(β):单个锯齿上远离光导光源方向的内角角度。


三、光导齿高对光导发光效率的影响

1

光导3D模型

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图 6 光导模型

2

参数设置

(1)光导齿高在三次的模拟中分别设计为1mm、2mm、3mm,其他参数的设置如图7,三次模拟均保持相同。


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图 7 光导模型的齿高设置

(2) 光导材料的体属性选用PMMA,折射率为1.489,对可见光无吸收率的透明材料,面属性采用光学抛光。

(3)光强传感器设定为水平方向±62.5°,垂直方向±15°。

(4)参数说明:前置典型电压:2.15V,电流:70mA,功率:0.15W。


3

CAE仿真结果分析

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图 8 光强平均值

分析说明:如图8所示,为光导条齿高尺寸为1mm时的光强模拟结果,可以发现,光导中间偏LED侧是光强的极值点。经过多次模拟得出(见表1):

表1 不同齿高的发光强度值(单位:cd)

齿高(mm)

1

2

3

4

平均值

2.3995

2.4668

2.5694

2.6545

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图 9 齿高与光通量的关系

由图9可得出,在光导尺寸,锯齿密度不变的情况下,单个锯齿越高,传感器屏幕上获得的平均光强越高,光导的光效利用率越高。当然,锯齿高度也不能一味的增高,经验公式:h ≤ H/20其中:h-齿高,H-光导直径。即光导锯齿高度不能超过光导直径的二十分之一,只有这样才能有效的避免光导的阴影效应。


四、光导齿宽对光导发光效率的影响

1

模型采用与上一仿真相同的光导

2

参数设置

光导齿宽在三次的模拟中分别设计为4mm、5mm、6mm,其他参数的设置相同,具体如图10;光导的材料属性和面属性采用与上一仿真一致的设置;光强传感器设定相同;LED型号选择不变。

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图 10光导模型的齿宽设置

3

CAE仿真结果

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图 11齿宽为6mm仿真结果

表2 不同齿宽发光强度值(单位:cd)

齿宽(mm)

4

5

6

平均值

2.4805

2.5832

2.7212

12.png

图 12   齿宽对平均光通量的影响

由图12得知,光强的大小随着光导齿宽度的增加而增加,因此,在工艺允许的条件下,锯齿宽度越宽对光的利用率越高,能够获得更多的侧面发光,即能更容易满足法规要求。


五、光导起始角、结束角大小对光导发光效率的影响

1

模型采用与上一仿真相同的光导

2

参数设置

光导起始角在三次的模拟中分别设计为30°、45°、75°,其他参数的设置相同,具体如图13;光导的材料属性和面属性采用与上一仿真一致的设置;光强传感器设定相同;LED型号选择不变。

13.png

图 13起始角、结束角及参数设置


3

仿真结果及分析

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图14 仿真结果

表2 不同入射角发光强度值(单位:cd)

起始角(°)

30

45

75

平均值

0.2014

0.8672

0.9873

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图 15起始角对平均光强的影响

由图15得出:起始角越大,结束角越小,光导侧面发光效率越高;此外,起始角、结束角还共同决定光导侧面发光的出光方向,出光集中方向随着起始角的变大而随出光方向顺时针移动。


六、光导齿距对发光效率的影响

由以上分析,光导侧面发光率的大小主要与锯齿高度,宽度、锯齿起始角、结束角大小、锯齿在光导上的密度有关,其中锯齿密度越大,侧面发光光效越高,因此很容易得出,光导齿距对光导发光效率的影响,齿距越大,单位长度上的光导锯齿数量越小,锯齿分布密度就越小,光导的侧面发光率则低,因此,关于光导齿距对发光效率的影响关系,这里就不再进行仿真分析。

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图 16齿距示意图


七、参数优化后的光导仿真

通过上面几个方面的分析和仿真,分别得出了光导设计参数对光导侧面出光效率的影响关系,这样就能指导光导在设计时参数的具体设置办法;而光导设计中重要考虑因素不仅有光导的侧面发光效率,从外观表现上看更加注重整个光导的发光均匀性。

很显然,如果光导在各个点的参数均一致,由于靠近光源侧的光入射率高,能量损失小,靠近光源侧的光导出光光强会很高,而距离光源远端的光导出光光强很快变弱,图17即是光导各点处锯齿参数一致的仿真结果,符合预期。


17.png

图 17参数单一模拟结果

为了避免这种情况,就需要设计根据距离光源不同距离的光导锯齿有不同的设计参数,通过调节上面研究的锯齿高度,宽度、锯齿起始角、结束角大小、锯齿在光导上的密度的参数大小来控制,实现均匀的出光光导。

接下来设计的光导即基于以上的考虑,其具体参数及趋势如下表,起始角的设计参数与距LED光源的距离基本满足直线方程,而齿高与LED光源的距离,采用了分段直线函数的处理方式:


无标题.png18.png

图 18 锯齿起始角与距离LED关系曲线

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图 19 齿高与距离LED关系曲线

由于时间关系,本文仅采用最简单关系进行了仿真,该光导的设计锯齿起始角与锯齿距离LED光源的距离成线性关系。同样,齿高与锯齿距离LED光源的距离关系也基本采用了两段线性关系。


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图 20人眼视觉模拟优化后效果

图20为结合了以上变换参数的光导人眼视觉仿真模拟结果图片,从仿真结果看,光导视觉上的均匀性优于参数未优化的光导,出光均匀性和亮度基本符合要求,但是可以明显看出仍然存在的问题:距离LED光源越远的区域亮度越低,这些问题还需要进一步改进光导的各部分参数来解决。


八、结论和下一步工作

本文通过对侧面发光光导设计参数对发光强度影响研究,目的是发现设计和优化光导均匀性的理论方法。通过研究得出的结论如下:

a)光导锯齿高度越高光导侧面发光效率越高;锯齿宽度越宽光导侧面发光效率越高

b)在工艺允许范围内,锯齿起始角越大,结束角越小光导侧面发光效率越高,此外,该参数还决定了光导的出光方向

c)锯齿齿距越大,光导单位长度内的锯齿数量越小,锯齿密度越低,侧面发光效率即越低。

d)以上结论是对光导的设计参数的研究总结,下一步仍需深入研究评价光导均匀性的量化指标。




文章转载自IFAL公众号


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