民用飛機新型光觸媒凈化裝置的光學特性

張絮涵，汪光文，史喬升，曹 祎，張 存

(中國商用飛機有限責任公司，上海飛機設計研究院，上海 201210)

引言

光觸媒(或光催化法)是指將TiO2等光催化劑以一定形式負載至吸附劑基材上，制得的固定化TiO2復合體在一定波長光線照射下降解氣相或液相污染物的方法[1]。光催化反應降解室內(nèi)揮發(fā)性有機化合物(volatile organic compounds，VOC)的本質是在光電轉換中進行氧化還原反應，只有波長小于380 nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導帶電子和價帶空穴，導致VOCs的氧化分解[2]。所以光觸媒凈化裝置中必不可少的部件之一是發(fā)射紫外光的光學部件。在一種新型飛機管路式光觸媒凈化裝置中，將紫外光發(fā)光二極管(ultraviolet light emitting diode，UV-LED)與導光板集成，以獲得均勻有效的紫外光面光源，并具備耗電量低、發(fā)熱量低、體積小、堅固耐用等諸多優(yōu)點。

導光板的形狀、材料及網(wǎng)點排布組成決定了導光板的表面照度、均勻性及出光效率[3]。福州大學徐勝[4]和黃炳樂[5]研究了不同參數(shù)(光源與導光板距離、導光板厚度、網(wǎng)點披覆率)對液晶顯示器中LED背光源的亮度、均勻度和出光效率的影響；蘇州大學的李曉建[6]和復旦大學的舒?zhèn)7]從光出射效率函數(shù)的角度理論分析了液晶顯示器LED背光模組中光源距離和網(wǎng)點高度對出光效率的影響；華僑大學戴文海[8]研究了發(fā)光鍵盤導光板中導光板厚度和光源距離對光耦合效果的影響；暨南大學張軍和郭丹等[9]研究了手機側背光楔形導光板在不同網(wǎng)點排布、不同楔形導光板底面角度及不同球缺形凸包網(wǎng)點對出光性能的影響；華僑大學黃明波等[10]、李建功等[11]和廣州大學周英初等[12]分別對異形導光板(圓形或圓環(huán))的網(wǎng)點進行了優(yōu)化設計與仿真。

綜上所述，目前對于導光板類面光源光學特性的研究主要集中在某種特定用途的導光板(如液晶顯示器LED背光模組、LED平板燈、異形導光板等)，導光板尺寸以長寬比<2的方形為主，LED點光源入射方式以單側入光為主。飛機管路式光觸媒凈化裝置的特殊構型使得導光板限制為窄長型(長寬比≥4)、兩端入光的形式，且LED點光源的波長需小于380 nm(即UV-LED)。現(xiàn)有資料中并沒有對這種形式光學部件的光學特性研究。本文針對這一問題，建立了一種新型飛機管路式光觸媒凈化裝置中光學部件的光學模型，并實驗驗證了仿真結果。基于光學仿真模型，研究了導光板厚度不同、點光源與導光板入光端面間距不同、網(wǎng)點高度不同、以及網(wǎng)點直徑不同時的光學特性。

1 光學部件結構及網(wǎng)點陳列

根據(jù)飛機管路式光觸媒凈化裝置的設計，光學部件其中一組套件的設計結構如圖1所示。導光板尺寸為210 mm×49.5 mm×3.5 mm(長×寬×厚)。導光板兩端各安裝有三盞電功率為1 W的貼片式UV-LED，其波長為365 nm。

圖1 光學部件設計結構示意圖[13]Fig.1 Design framework of the optical component

針對窄長型導光板，能夠獲得均勻出光的網(wǎng)點需設計為非均勻布置形式，且保證導光板中段設置較大密度的網(wǎng)點，兩端設置較小密度的網(wǎng)點。根據(jù)網(wǎng)點密度建議值10%～40%[4]，設計導光板的網(wǎng)點半徑0.5 mm，網(wǎng)點陣列按高斯方程非均勻分布并平滑化處理，如圖2所示。

圖2 非均勻網(wǎng)點設計陣列示意圖[13]Fig.2 Design of non-uniform dot array

2 光學仿真及結果

本文采用“普適光線追跡”技術，并基于蒙特卡洛算法對該光學部件進行光學模擬。其中，UV-LED光源假定為理想朗伯體，根據(jù)實際光源參數(shù)設置光通量為700 mW，波長365 nm。光學追跡時，按單盞燈35 000條光線(6盞燈共210 000條光線)求取結果。導光板材料為PMMA。為獲得全反射效果，導光板上五個表面(除出光面以外)的面屬性均設置為Perfect Mirror(完美鏡面)。導光板上方設置一塊完全吸收的觀察板，用以觀察導光板出光面的光強分布。該觀察板下表面距離導光板出光面0.5 mm，面屬性為Perfect Absorber(完美吸收面)。觀察板反映出的模擬結果如圖3所示，光強最大值為340.43 W/m2，平均值為277.21 W/m2。

圖3 針對設計結構的光學模擬結果Fig.3 Optical simulation result of design component

針對導光板尺寸，采取五點取值法(圖3中標注)來表征導光板的出光均勻度。即以觀察板中心點為準，沿Y方向中軸線向兩端每隔40 mm取值。則出光均勻度為

(1)

式中η為導光板出光均勻度；Imin為取值點中的光強最小值，W/m2；Imax為取值點中的光強最大值，W/m2。

光能利用率定義為

(2)

式中σ為導光板光能利用率；Φtotal為觀察板上接收的總光通量；ΦUV-LED為UV-LED點光源發(fā)出的總光通量。

該設計構型的出光均勻度為

光能利用率為

認為光學部件的設計結構能夠保證相當?shù)某龉饩鶆蚨群凸饽芾寐剩且环N可被接受的部件設計方案。

3 實驗驗證

本文組建了一套針對該凈化裝置中光學部件出光光強測試的試驗臺。試驗臺由密閉測試箱、感光探頭定位支架和光強測試儀三部分組成。考慮到凈化裝置結構特殊，密閉測試箱和感光探頭定位支架的數(shù)字模型均為自主設計，并用3D打印技術實現(xiàn)實物制作。數(shù)字模型如圖4所示。

圖4 試驗臺數(shù)字模型設計圖Fig.4 Numeric model of test bench

出光光強測試僅針對一組光學部件，故密閉測試箱中僅穿過一片導光板。測試箱內(nèi)表面和定位支架表面均敷設鋁箔，以排除材料對紫外光的吸收作用。定位支架上的設置多個探頭放置孔位，能夠將紫外光測試儀的探頭固定在距離導光板出光表面0.5 mm的水平位置，且按圖3中的五點取值法進行定位。測試箱和定位支架的實體裝配圖如圖5所示。

圖5 測試臺實體裝配圖Fig.5 Test bench assembly

紫外光光強檢測儀選用臺灣路昌Lutron紫外光強測試儀，型號UVA-365，是針對波長為365 nm紫外光的的專用測試儀器。如圖5所示。

導光板中軸線上五測點的測量結果以及與仿真結果的誤差如表1所示。可以看到測量結果普遍低于仿真結果，經(jīng)分析認為是由不可避免的漏光現(xiàn)象或材料吸收特性導致。測試結果誤差在仿真結果的10%以下，認為仿真結果有效。

表1 測量結果與仿真結果的誤差Table 1 Error between measuring results and simulating results

4 光學特性分析

UV-LED點光源具有一定的發(fā)光角度，如何獲得光源與導光板入光端面之間的最佳光耦合是尤為重要的。光耦合直接影響導光板的出光性能，主要分為兩點：一是點光源與導光板入光端面距離固定時，導光板厚度取值多少能夠獲得最佳光耦合；二是導光板厚度固定時，點光源與導光板入光端面的距離為多少能獲得最佳光耦合。

另外，在建議的最佳網(wǎng)點密度范圍內(nèi)，網(wǎng)點高度和網(wǎng)點尺寸也會影響導光板出光性能。下文會對這四種情況逐一分析。

4.1 導光板厚度對出光性能的影響

按當前市場上導光板的通用工藝，導光板厚度一般在3～6 mm之間。圖6為不同厚度時，光學部件的光能利用率和出光均勻度。

圖中可以看到，光能利用率和出光均勻度均隨厚度的增加呈升高后遞減的趨勢。第一，鑒于UV-LED的寬度尺寸為3.5 mm，認為導光板厚度小于UV-LED寬度對出光性能及其不利；第二，導光板厚度與UV-LED寬度近似時，出光性能達到最佳，即導光板厚度4.0 mm時光能利用率達到峰值，導光板厚度3.5 mm時出光均勻度達到峰值；第三，導光板厚度過多的大于UV-LED寬度時，出光性能呈遞減趨勢。

圖6 導光板厚度改變對出光性能的影響Fig.6 Light performance effected by the thickness of light guide plate

考慮到在網(wǎng)點設計時是依據(jù)導光板厚度3.5 mm進行優(yōu)化的，故其出光均勻度達到峰值無可厚非。這里認為導光板厚度4.0 mm為光學部件的最佳出光性能參數(shù)。

4.2 UV-LED與導光板入光端面距離對出光性能的影響

UV-LED與導光板入光端面離得越近，則耦合進導光板的光線越多，但是導光板的端面亮斑會非常明顯，繼而影響導光板的出光性能。這里分析了導光板厚度4 mm時，UV-LED與導光板入光端面間距0～3 mm范圍內(nèi)，光學部件的光能利用率和出光均勻度，如圖7所示。

圖7 UV-LED與入光端面間距改變對出光性能的影響Fig.7 Light performance effected by the distance between UV-LED and light guide plate

從圖7中可以看到，隨著UV-LED與導光板入光端面間距增加，光能利用率逐漸降低，出光均勻度呈遞增后遞減的趨勢。在光能利用率遞減趨勢平緩的情況下，間距1 mm時導光板的出光均勻度達到最高，認為此時可以獲得光學部件的最佳出光性能。

4.3 網(wǎng)點高度對出光性能的影響

本文的設計網(wǎng)點為半球形網(wǎng)點，其網(wǎng)點高度是指在固定網(wǎng)點直徑時半球形網(wǎng)點的高度。網(wǎng)點高度會影響入射光線在網(wǎng)點上的折射，從而影響出光性能。這里分析了導光板厚度4 mm時，UV-LED與導光板入光端面間距1 mm時，網(wǎng)點高度0.1～0.5 mm時，光學部件的光能利用率和出光均勻度，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)點高度改變對出光性能的影響Fig.8 Light performance effected by dot height

圖中可以看到，隨著網(wǎng)點高度的增加，導光板的光能利用率和出光均勻度均有遞增，這說明半球形網(wǎng)點越完整，光學部件的出光性能越好。這一點在現(xiàn)行的激光3D打點工藝中也有所體現(xiàn)。

4.4 網(wǎng)點直徑對出光性能的影響

在網(wǎng)點密度建議范圍為10%～40%，通過改變網(wǎng)點直徑也能獲得不同的出光性能。這里分析了導光板厚度4 mm時，UV-LED與導光板入光端面間距1 mm時，網(wǎng)點高度同網(wǎng)點半徑時，光學部件的光能利用率和出光均勻度，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)點直徑改變對出光性能的影響Fig.9 Light performance effected by dot diameter

由圖9可以看到，在相同的網(wǎng)點密度下，光能利用率的變化并不明顯。出光均勻度在網(wǎng)點直徑為0.5 mm處達到最佳只是因為前文在設計時依據(jù)該網(wǎng)點直徑進行優(yōu)化造成。可以認為無論怎樣的網(wǎng)點直徑，只要在網(wǎng)點密度建議范圍內(nèi)優(yōu)化設計均能達到較好的出光均勻度，而網(wǎng)點直徑的選擇還要考慮打印糊板這樣的工藝因素，不宜過低。基于對現(xiàn)行網(wǎng)點打印工藝的了解，這里認為網(wǎng)點直徑為0.5 mm是合理選擇。

5 總結

本文對自主研發(fā)的一種新型飛機管路式光觸媒凈化裝置中的光學部件進行了建模仿真與實驗驗證，并著重研究了其光學特性。文中分析了導光板厚度不同、點光源與導光板入光端面間距不同、網(wǎng)點高度不同、以及網(wǎng)點直徑不同時對出光性能的影響。得到結論如下：

1) 導光板厚度方面，厚度與UV-LED寬度近似時，出光性能達到最佳。本文的設計是在導光板厚度4.0 mm時為光學部件的最佳出光性能參數(shù)。

2) UV-LED與導光板入光端面間距方面，隨著間距增加導光板的光能利用率逐漸降低，出光均勻度呈遞增后遞減的趨勢。認為間距1 mm時獲得光學部件的最佳出光性能。

3) 網(wǎng)點高度方面，隨著網(wǎng)點高度的增加，導光板的光能利用率和出光均勻度均有遞增，這說明半球形網(wǎng)點越完整，光學部件的出光性能越好。

4) 網(wǎng)點直徑方面，只要在網(wǎng)點密度建議范圍內(nèi)，無論怎樣的網(wǎng)點直徑均能通過優(yōu)化設計達到較好的出光均勻度，但網(wǎng)點直徑的選擇需要考慮工藝因素，不宜過低。