汽車用導光體導光效率研究

【摘 要】汽車內諸如各類開關背光、工作指示、氛圍燈等光照均勻性及亮度效果的達成，通常都依賴于導光體。導光體通常由透明塑料（如PC、PMMA等）制作而成，且導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光體的導光效率產生作用。文章將分別把彎折角度、截面半徑設定為獨立變量，探究二者對導光效率的具體影響，并歸納其中的規律，用于指導導光體的結構設計。

【關鍵詞】導光體；彎折角度；截面半徑；導光效率

中圖分類號：U463.65 文獻標識碼：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，因而導光體在汽車內飾產品中得到了廣泛的運用。但導光體的結構設計需要達到導光效率高、出光均勻的要求[1]。導光效率會對LED的使用數量、LED的功率等產生影響，所以這是其結構設計的基本要求。導光體一旦發生彎折，光能就會出現損失，而彎折的角度、截面的尺寸對損失的大小有著直接的關聯，所以導光體尺寸的設計極為關鍵。本文采用TracePro光學仿真軟件，對各種截面尺寸和彎折角度的導光體進行導光效率計算，并匯總計算結果，總結影響規律。

1 導光體原理

導光體的結構會根據使用場景進行多種變換。導光體一般有聚光、擴大光的照射范圍、改變光的傳播方向等作用。常見導光體結構如圖1所示。

導光體的導光是應用光的全反射原理[2]，如圖2所示。使光在其內部發生全反射，在傳播路徑上盡量少地發生透射，以提高光的利用率。發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——光疏介質折射率；n₂——光密介質折射率；n₁<n₂。

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

2 試驗數據設計

本研究設計了3種直徑的圓柱形導光體，導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，為每種直徑的導光體設計7～8種尺寸的彎折部位的過渡圓角。導光體的結構如圖4所示，導光體結構變量見表1。

3 仿真分析

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

η=末端面的光通量/發射光通量/入光面光通量/發射光通量 （2）

經計算，其中直徑為2.4mm的入光面照度仿真結果如圖5所示。直徑為2.4mm，不同過渡圓角的導光體，末端照度仿真結果如圖6所示。所有尺寸仿真結果數據如表2所示。

經統計發現，效率與導光體彎折部位過渡半徑/導光體直徑的值有關（表中彎徑比）。統計結果曲線如圖7所示。結果顯示，隨著彎徑比的增大，導光體的效率呈指數形式上升，當彎徑比超過2以后，上升基本趨于穩定，且導光體直徑越大，此值會越大。

4 結論

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

參考文獻：

[1] 薛現龍. 基于開關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. 光學工程原理[M]. 北京：國防工業出版社，2010.

[3] 毛學軍. LED應用技術[M]. 北京：電子工業出版社，2021.

（編輯 凌 波）