导光板与导光柱设计.doc

导光板

导光板是利用光学级的压克力/PC板材，然后用具有极高反射率且不吸光的高科技材料，在光学级的压克力板材底面用UV网版印刷技术印上导光点。利用光学级压克力板材吸取从灯发出来的光在光学级压克力板材表面的停留，当光线射到各个导光点时，反射光会往各个角度扩散，然后破坏反射条件由导光板正面射出。通过各种疏密、大小不一的导光点，可使导光板均匀发光。反射片的用途在于将底面露出的光反射回导光板中，用来提高光的使用效率。

　　导光板设计原理源于笔记本电脑的液晶显示屏，是将线光源转变为面光源的高科技产品。光学级压克力(PMMA)/PC为基材，运用LCD显示屏及笔记本电脑的背光模组技术，透过导光点的高光线传导率，经电脑对导光点计算，使导光板光线折射成面光源均光状态制造成型。产品采用光谱分析原理与数码UV印刷技术相结合并在恒温、恒湿、无尘的环境条件下制作而成。具有超薄、超亮、导光均匀、节能、环保、无暗区、耐用、不易黄化、安装维修简单快捷等鲜明特点。

　　一般而言导光板因形状、制作方式和功能上都有不同的分类法，而且目前尚无统一的分法，经过整理后　A、按照形状分为：平板和楔形板(斜板) 　　平板：导光板从入光处来看为长方形。　 　　楔形板：从入光处来看为一边为厚一边为薄成楔形(三角形)状。　 　　B、按照网点制作方式：印刷式和非印刷式　 　　印刷式：导光板完成外形加工后,以印刷方式将网点印在反射面，又分为IR（自然烘干和UV光固化）两种。　 　　非印刷式：将网点在导光板成形时直接成形在反射面。又分为化学蚀刻(Etching)、精密机械刻画法 (V-cut)、光微影法(Stamper)、内部扩散。　 　　C、按照入光方式：侧入光(灯管和LED)和直下式。　 　　侧入光式：将发光体(灯管或LED)放置于导光板之侧部。　 　　直下式：将发光体(灯管或LED)放置于导光板之下方。　 　　D、按照成形制作方式：射出成形和裁切成型。　 　　射出成形：应用射出成形机将光学级PMMA颗粒运用高温、高压射入模具内冷却成形.　 　　裁切成形：将光学级PMMA原板经过裁切工序完成成品。

　　1可以任意裁切成所需要的尺寸，也可以拼接使用，工艺简单，制作方便 　　2光转换率高（较传统板高30%以上），光线均匀，寿命长室内可正常使用8年以上，安全环保，耐用可靠户内外皆可适用 　　3同等面积发光亮度情况下，发光效率高，功耗低 　　4可以制作成异型，如圆形，椭圆，圆弧，三角形等 　　5同等亮度情况下，可以使用较薄的产品，节约成本 　　6可以使用任何光源，点线光源做面光源转换，光源包括LED CCFL（冷阴极灯管），荧光灯管等。

导光板超薄灯箱是受液晶电视机的启发，借鉴液晶电视机的背光技术，研发出的一种新型广告载体（目前业界称其为“超薄灯箱”，本人认为其实它不是灯箱，叫“发光广告看板”比较恰当），其特点如下： 　　1【超薄超轻】：外形美观，其厚度一般小于3厘米，最大限度地提高了空间利用率，美化了环境，拓宽了应用范围。 　　2【明亮匀光】: 明亮的光线完全平面输出，且近乎完美的均匀，彻底杜绝了普通灯箱所共有的明暗光痕。其卓越的光学特性除广泛应用于公共场所外，更扩大了其在精密显示、摄影及医疗看片、科研、高标准照明等高科技领域的应用，效果可媲美液晶显示器。 　　3【高效节能】：它的另一个值得称道的优势就是节能，由于使用了先进的导光板发光技术，耗电量仅是同画面面积普通灯箱的23%。以1M2画面面积灯箱每天用电10小时计算，普通灯箱年耗电近900度，超薄灯箱年耗电仅200度，省电77%，仅当年节省的电费即可收回投资。 　　4【稳定耐用】: 超薄灯箱采用的特制高亮度优质莹光灯管平均使用寿命达8千小时以上；专用的冷阴极灯管平均使用寿命达1.5万小时以上。超薄灯箱所用灯管的使用寿命是普通灯管使用寿命的5至10陪。使用寿命的延长大大节省了维护费用。 　　5【安装便捷】: 超薄灯箱广泛采用了进口优质铝合金开启式整体外框结构，配备可移动式挂勾或挂孔，使灯箱安装及画面更换简单、快捷，省工、省时、省钱。

亚克力

亚克力简介
　　压克力由英文Acrylics音译而来Acrylics丙烯酸类和甲基丙烯酸类化学品的通称。包括单体、板材、粒料、树脂以及复合材料，压克力板由甲基烯酸甲酯单体（MMA）聚合而成，即聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）板材有机玻璃，“有机玻璃”源自商品名“Oroglas”（一种PMMA板），取自“Organic Glass”(即有机玻璃)。但近年来因将所有由透明塑料如PS、PC等均统称有机玻璃。
压克力生产工艺
　　压克力板按生产工艺可分为浇铸型和挤压型,浇铸型的板材性能比挤压型的要好,价格也要贵些,浇铸型的板材主要用于雕刻,装饰,工艺品制作,挤压型的通常用于广告招牌,灯箱等制作. 　　

压克力特性1.极佳透明度 　　无色透明有机玻璃板材，透光率达92%以上 　　2.优良的耐候性 　　对自然环境适应性很强，即使长时间在日光照射、风吹雨淋也不会使其性能发生改变， 抗老化性能好，在室外也能安心使用 　　3.加工性能良好 　　既适合机械加工又易热成型，压克力板可以染色，表面可以喷漆、丝印或真空镀膜 　　4.优异的综合性能 　　压克力板品种繁多、色彩丰富，并具有极其优异的综合性能，为设计者提供了多样化的选择，压克力板可以染色，表面可以喷漆、丝印或真空镀膜 　　5.无毒 即使与人长期接触也无害，并且燃烧时不产生有毒气体
规格及厚度
　　规格:1.22*2.44m,1.22*1.83m,1.25*2.5m ,2*3m,2.05*3.05m 　　有色有机字厚度(一般)：5mm和 3mm； 　　透明有机字、水晶字、有机字厚度：3mm、5mm、10mm、15mm、20mm 　　

注意事项
　　1.压克力板不可与其他有机溶剂同存一处，更不能接触有机溶剂 　　2.运输过程中，不能将表面保护膜或保护纸擦破 　　3.不能使用在温度超过85℃的环境 　　4.清洁压克力板材时只须用1%的肥皂水，用软棉布沾肥皂水，不可用硬物或干擦，否则表面很容易被擦伤 　　5.压克力板冷热膨胀系数很大，因温度变化应考虑预留伸缩间隙
亚克力板与有机玻璃
　　“有机玻璃”源自英文Organic Glass。近年来在某些地区将所有的透明塑料制成的板材统称为有机玻璃，其实这是错误的，亚克力是专指纯聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料，而把PMMA板材称作压克力板。
亚克力板之特性与优点
　　亚克力具有高透明度，透光率达92％，有"塑胶水晶"之美誉。且有极佳的耐候性，尤其应用于室外，居其他塑胶之冠，并兼具良好的表面硬度与光泽，加工可塑性大，可制成各种所需要的形状与产品。另板材的种类繁多色彩丰富(含半透明的色板)，另一特点是厚板仍能维持高透明度。 　　耐候及耐酸碱性能好，不会因常年累月的日晒雨淋，而产生泛黄及水解的现象 　　寿命长，与其它材料制品相比，寿命长三年以上 　　透光性佳，可达92%以上，所需的灯光强度较小，节省电能 　　抗冲击力强，是普通玻璃的十六倍，适合安装在特别需要安全的地带 　　绝缘性能优良，适合各种电器设备 　　自重轻，比普通玻璃轻一半，建筑物及支架承受的负荷小 　　色彩艳丽、高亮度，是其他材料不能比美的 　　可塑性强，造型变化大，加工成型容易 　　可回收率高，为日渐加强的环保意识所认同 　　维护方便，易清洁，雨水可自然清洁，或用肥皂和软布擦洗即可 　　压克力板材（有机玻璃PMMA）是采用亚克力或PMMA高分子材料经过挤出工艺制成的高透光板材。 　　1、高透光性 　　有机玻璃是透光性最好的热塑性塑料，对可见光的透光率超过91%。 　　2、优良的机械性能，并具有良好的抗碎裂性 　　3、良好的耐候性 　　有机玻璃具有良好的耐候性，可用于室外制品。即使暴晒在日光下，也可正常使用相当长的时间（耐候性在塑胶中最优） 　　4、良好的耐化学腐蚀性（氯仿、丙酮等有机溶剂除外） 　　5、良好的电绝缘性 　　6、优异的尺寸稳定性 　　有机玻璃在通常条件下，形态稳定，易于机械加工，制品尺寸稳定。 　　7、二次加工性能 　　有机玻璃适宜于二次加工，诸如机械加工、热塑成型、吹塑、吸塑、溶剂胶合、热印、丝网印刷等。
亚克力的历史
　　亚克力（ACRYLIC），俗名特殊处理有机玻璃。压克力的研究开发，距今已有一百多年的历史。1872年丙烯酸的聚合性始被发现；1880年甲基丙烯酸的聚合性为人知晓；1901 年丙烯聚丙酸脂的合成法研究完成；1927年运用前述合成法尝试工业化制造1937年甲基酸脂工业制造开发成功，由此进入规模性制造。二战期间因压克力具有优异的强韧性及透光性，首先，被应用于飞机的挡风玻璃，坦克司机驾驶室的视野镜。1948年世界第一只压克力浴缸的诞生，标志着压克力的应用进入了新的里程碑。
亚克力的用途
　　PMMA具有质轻、价廉，易于成型等优点。它的成型方法有浇铸，射出成型，机械加工、热成型等。尤其是射出成型，可以大批量生产，制程简单，成本低。因此，它的应用日趋广泛，目前它广泛用于仪器仪表零件、汽车车灯、光学镜片、透明管道等。 　　亚克力是继陶瓷之后能够制造卫生洁具的最好的新型材料。与传统的陶瓷材料相比，亚克力除了无与伦比的高光亮度外，还有下列优点：韧性好，不易破损；修复性强，只要用软泡沫蘸点牙膏就可以将洁具擦拭一新；质地柔和，冬季没有冰凉刺骨之感；色彩鲜艳，可满足不同品位的个性追求。用亚克力制作台盆、浴缸、坐便器，不仅款式精美，经久耐用，而且具有环保作用，其辐射线与人体自身骨骼的辐射程度相差无几。亚克力洁具最早出现于美国，目前已占据整个国际市场的70%以上。 　　由于亚克力生产难度大、成本高，故市场上有不少质低价廉的代用品。这些代用品也被称为“亚克力”，其实是普通有机板或复合板（又称夹心板）。普通有机板用普通有机玻璃裂解料加色素浇铸而成，表面硬度低，易褪色，用细砂打磨后抛光效果差。复合板只有表面很薄一层亚克力，中间是ABS塑料，使用中受热胀冷缩影响容易脱层。真假亚克力，可从板材断面的细微色差和抛光效果中去识别 　　1.建筑应用:橱窗、隔音门窗、采光罩、电话亭等 　　2.广告应用:灯箱、招牌、指示牌、展架等 　　3.交通应用:火车、汽车等车辆门窗等 　　4.医学应用:婴儿保育箱、各种手术医疗器具 民用品：卫浴设施、工艺品、化妆品、支架、水族箱等 　　5.工业应用：仪器表面板及护盖等 　　6.照明应用：日光灯、吊灯、街灯罩等
亚克力特点
1.硬度: 　　硬度是最能体现浇注压克力板生产工艺和技术的参数之一，是品质控制中的重要一环。硬度能反映出原料PMMA纯度、板材耐候性以及耐高温性能等。硬度直接影响到板材是否会收缩弯曲变形，加工时表面是否会出现皲裂等情况。硬度是评判压克力板品质好坏硬性指标之一，平均达洛氏硬度值89度左右。 　　2.厚度公差： 　　板材厚度公差的控制是品质管理和生产技术的重要体现。亚克力的生产都有一个国际标准ISO7823 　　浇注板的公差要求：公差＝± (0.4 + 0.1 x 厚度) 　　挤出板的公差要求：公差＝< 3 mm 厚度: ± 10 % 　　> 3 mm 厚度: ± 5 % 　　3.透明度/白度： 　　严格的原料配选、先进的配方跟进和现代化的生产工艺制作，确保板材极佳的透明度和纯白度。火焰抛光后晶莹剔透。

Light Guide Techniques导光技术
Using LED Lamps使用LED光源
Application Brief I-003
导光柱是什么？
导光柱就是将光以最小的损耗从一个光源传输到距离该光源一定距离的另一个点的装置。

光线是依靠全内反射在导光柱内部传输的。

导光柱通常是采用光学材料制成，如：丙烯酸树脂、聚碳酸酯、环氧树脂和玻璃。

导光柱可以用来将PCB上LED的光传输到产品面板上来显示相关的状态，也可以聚集和指引光线用做LCD显示屏的背光，同时也可以用来照亮在透过式窗口上的图案。

这篇文章论述了简单的导光柱的设计方法以适应这样或那样的应用。

基本原理
Snell定律：当光线入射到两种不同的介质的交界面时，例如塑料和空气，光线会在通过这个交界面时产生折射，如图1所示。光线射入这个交界面的角度叫做入射角φi，光线离开交界面的角度叫折射角φf

Snell定律：ni*sinφi = nf*sinφf

图1
Snell定律规定:
第一种介质的折射率ni乘以入射角φi的正弦值，等于第二种介质的折射率nf乘以折射角φf的正弦值。

镜面反射定律：镜面反射定律是这样定义的，光线的入射角与反射角相等，如图2所示，镜面反射光线是没有损耗的。

Fresnel Loss 菲涅耳损耗: 当光线通过交界面从一种介质进入另一种介质时，光线会因为在交界面上产生反射而产生损耗，如图2所示。这种损耗称作菲涅耳损耗，可以用下面的公式进行计算：

对于光线从塑料射入空气和从玻璃射入空气这两种情况下菲涅耳损耗都是4%

当光线从折射率低的介质进入折射率高的介质时，折射角φf会小于入射角φi，相反，折射角φf会大于入射角φi，如图3所示光线穿过一个表面平行的塑料（玻璃）板。

图2

图3

图4
完全内反射：当折射角等于90°时，入射光将会折射并沿着两种介质的交界面传播，如图4所示。
这时sin φf (90°) = 1.0，因此Snell定律就简化成ni*sin φi = nf. 这个公式可以用来计算产生完全内反射的临界入射角φc

空气的折射率为1.0，所以上式中的nf = 1.0，因此只要知道导光柱所采用的介质的折射率就能够迅速计算出这种介质内产生完全内反射的临界入射角.
对于绝大多数的塑料和玻璃，它们的折射率约为1.50，因此，对于采用这两种材质制成的导光柱的完全内反射临界角约为42°

导光柱内部与外界空气的交界面上产生的镜面反射可以用来帮助在导光柱内传输光线。
当光线在导光柱内与导光柱表面的入射角达到或大于42°时，将会在导光柱内部完全反射。
临界角小于45°的材料都非常适合用来制作导光柱，因为用这种材料可以制作成45°角反射面的导光柱。
光线跟踪法：光线跟踪法可以用来分析和跟踪光线进入、穿过和射出一个导光柱的路径。Snell定律、菲涅耳损耗和镜面反射定律可以应用在所有导光柱表面的光线传播方向的分析上。

这篇文章中应用光线追踪法来举例说明如何进行导光柱的设计。
导光柱设计
在进行导光柱设计时首先需要考虑3个问题：
1） 有效的光通量耦合，以保证LED灯发射出的光线以最小的损耗进入导光柱内部
2） 如何将光线通过导光柱传输到输出端
3） 如何让光线以最小的损耗从输出端射出
将LED光线耦合进导光柱内：
在保证LED射出的光线有效的被传输和利用之前，必须首先保证它被有效的耦合进导光柱的进入端，光线应当以最小的损耗被导光柱所捕获。
通常情况下，如果LED在导光柱的外部，并且与导光柱之间有空气间隙时光线的耦合和捕获效率是较低的，相反，如果LED处于导光柱表面空气的交界面内部时，效率是最高的。
当LED在导光柱外部时，如图5所示，在这种情况下只有在LED指示灯的光
线辐射角与导光柱的光线接收角相匹配的情况下耦合效率才会较高。因此很难做到高效的光耦合，绝大部分LED产生的光都会损失掉。
在这样的结构设计下只有小于10%的光通量能被耦合进导光柱内。
在这种情况下如果采用一个凸透镜将LED输出的光线进行聚焦后耦合到导光柱内，如图6所示，并且聚焦后的光线刚好与导光柱输入端相匹配的话，光线捕获率可以达到80%。但是这样的设计需要能够精确控制透镜与LED和导光柱之间的距离以保证正确的焦距，无疑会增加产品的成本。

导光柱最佳最有效的设计就是将LED固定到导光柱的内部，如图7a所示。在这种结构中LED是植入导光柱内部的，LED发出的所有光线全部会被导光柱所捕获，考虑到LED与导光柱之间存在空气间隙而产生的菲涅耳损耗，光线捕获率可以达到92%。这种设计推荐应用在圆顶封装的LED如T-13/4、T-1和微型LED上。

如果将LED用光学环氧胶粘合到导光柱内部，如图7b所示，LED与导光柱之间将没有空气间隙因此也就没有菲涅耳损耗，光线捕获率将会达到100%。在绝大部分导光柱的应用中，这种方法既是不实际的也是不必要的。

本篇文章中所有推荐的导光柱设计都是以假设LED与导光柱之间存在空气间隙为前提的。

导光柱的物理特质：
导光柱外表面的光滑是导光柱正常工作的重要保证，如图8所示。

导光柱平行于光线传播方向的侧壁应当非常光滑，像镜子一样，这样光线才能够在其表面产生完全内反射。
导光柱的侧壁可以涂上白色反光涂料以反射角度小于临界角的光线，否则这些光线将会从导光柱侧壁逃逸到空气中造成损耗。导光柱的入口应当光滑并与LED外形匹配以保证高效的捕获LED的光线，保证光线以最小的反射和散射进入导光柱内部。
导光柱的出口应当是散射的，一个散射的出口端在其表面具遍布随机的临界角以保证光线可以从导光柱内部逃逸出来，同时将光线以极宽的角度散射出去，这样不论从哪个角度看过去导光柱的出口端都是亮的。
导光柱可以制作成任何形状，圆柱形、方形、锥形（尺寸从入口到出口逐渐增加）或任何特殊形状（箭头、星型、半月形等等）

图5

图6

图7a LED定位在导光柱内部以获得最高的光线捕获率

图7b

对于矩形和特殊形状的导光柱，其拐角必须是圆角，半径不小于0.5mm，不能有尖角，以保证拐角处的照明。
导光柱的形状应当沿着其长度逐渐变化，例如从入口处与LED相匹配的圆形到出口处的正方形应当如图8所示逐渐变化。
适应不同种类LED的导光柱入口：
导光柱的入口应当光滑并且平坦或者内凹并匹配LED的外形以保证高效的耦合和捕获光线。

对于贴片LED其发光区域是平坦的表面，导光柱的输入端应当做成光滑的与LED表面平行的平面，导光柱输入端贴近LED以提高光通量耦合效率，如图9所示。导光柱的输入端需要比LED的发光面略大以保证捕获92%的光线。

图9 贴片LED导光柱

贴片LED的封装一般是立方体，光线是发散的，既从顶部射出也从侧面射出。只有40%的光是从LED顶部射出的，另外60%的光是从LED侧面射出的。因此，对于这种输入端是平面的导光柱来说只有40%的光可以被导光柱捕获，其余的光通量就损失掉了。

一个具有光滑内凹输入端的导光柱将有

图8 导光柱的基本特征，图中是一个从圆形输入端渐变到方形输出端的导光柱

效提高光通量的捕获率，如图10所示。
大约70%-80%的光量可以被导光柱捕获，光量的损失减小到20%至30%。
这种内凹的设计可以应用于任何导光柱与LED的组合以提高光通的耦合率和光线捕获能力。
在图11中，这种下沉式贴片LED是设计用来将光照射至PCB板的反面的。这种LED定位在PCB上的孔中央，相比于表面贴片LED，内凹的导光柱可以捕获更多的光量。

图10 光滑内凹输入端的导光柱将提高光线捕获能力

图12 T-1 3/4 LED插入导光柱输入端以获得更高的光通量耦合
对于T-1 3/4的彩色扩散LED，LED插入导光柱输入端的最小深度应当保证LED反光杯以上的部分全部插入导光柱的输入端内，以保证光通量的耦合效率，如图12所示。这样可以保证92%的耦合效率。如果想获得最佳的耦合效率，推荐将整个LED从底面以上全部插入导光柱内部。
对于T-1 3/4 LED，导光柱输入端孔径应当在5.33mm至5.59mm，孔的末端应当是光滑的球型穹面。最小孔深5.33mm以保证LED的最小插入深度，最小孔深8.31mm以保证LED完全插入导光柱内。

对于T-1 LED，孔径应当在3.30mm至3.43mm。这种LED必须完全插入导光柱内才能获得较高的光通量耦合，导光柱最小孔深2.165mm。

对于长条形的LED也可以作为导光柱的光源，这种LED具有较大面积的平面发光区域。因此，为保证最佳的耦合效率，导光柱的输入端也应当是光滑的平面，并且靠近和覆盖光源的整个发光表面，如图13所示。

导光柱的输入端面积应当比光源面积略
大，以保证92%的光能够被捕获。

导光柱的散射输出端：散射的输出端能够使导光柱内的光线以随机的角度入射到导光柱与空气的交界面上，以保证光线在这个面上能够较容易的逃脱出去。
从这个表面逃逸的光线以随机的角度射出从而形成一个宽角度的照射范围，如图14所示。

图13 条形LED光源的导光柱

图14 导光柱的散射表面

导光柱的拐角
导光柱可能需要弯曲成直角，为了减小光线的损耗，弯曲半径应当大于等于导光柱厚度的2倍（方形导光柱）或导光柱直径的2倍（圆柱形导光柱）。
光线沿着光滑的弯曲面反射而没有损耗产生，如图15所示。

如果导光柱只能做成急速的90°转角，则可以在其转角处制作一个反射镜来改变光的方向，如图16所示。

图15 90°平滑弯曲的导光柱

图16 带有45°反光镜的导光柱