什么是导光板？
光导管的定义
光导管（有时也称为光导管）是一种将光源（通常为LED）发出的光引导至需要光线的地方的装置。
光导通常由玻璃或塑料制成，其折射率通常在1.5左右。当光以正确角度范围射入光导时，会因一种称为全内反射（TIR）的现象而被困在光导内部。一旦被困，光将一直留在光导内部，直到被出射结构提取、被材料完全吸收，或遇到一个小于临界角的表面。
在某些情况下，目标是将光从光导管的一端传导至另一端；而在其他情况下，目标则是沿光导管的长度方向提取光线，并将其导向特定方向。这使得光导管看起来仿佛被点亮了。这种光线提取是通过在装置上添加某些组件来实现的，例如色点或纹理（微小的凸起或孔洞），这些组件会影响光的反射方式，从而打破全内反射（TIR）条件，使光线从光导管中逸出。
其他类型的光导管可将来自一个或多个光源的光进行均匀化。通过让光沿光导管长度方向传播并从侧壁反射，光线得以“混合”，从而使从光导管末端射出的光在空间和角度上都变得均匀。
图1. 本例中的导光管是一种 混合棒，类似于投影仪中常见的部件。该导光管可将来自传统光源和反射器的光线进行均匀化处理。在输入端，光线在中心处呈现出明显的峰值；在输出端，光线在导光管出光面（其宽高比为16:9）上分布均匀。
目录
什么是折射率？
对于玻璃、水或空气等透光材料，折射率表示光在该材料中传播的速度。折射率越高，光在该材料中的传播速度就越慢。以下公式表示材料的折射率：
其中n表示折射率，c 表示 真空中光速，v表示光在介质中的相速。真空虽然严格来说不算是一种介质，但其折射率为 1。水的折射率为 1.3333。通常用于光导的玻璃和塑料，其对可见光的折射率约为 1.45 至 1.6。
当光线遇到两种折射率不同的物质之间的界面时，穿过该界面的光线会发生偏折，从而改变光线的传播方向。这一过程称为折射，并遵循斯涅尔定律。
什么是斯涅尔定律？
斯涅尔定律指出，光的出射角取决于光入射到介质界面的角度以及两种介质的折射率差。折射率差越大、入射角越大，光的折射程度就越大。斯涅尔定律描述了折射现象，其中 n 表示折射率，θ 表示光在介质 1 或介质 2 中的入射角：
图2. 斯涅尔 定律的方程。
图3. 一束 光线通过平坦表面折射，在此过程中发生偏折。虚线表示材料边界的法线，图中标注了斯涅尔定律所涉及的物理量。
什么是临界角？
根据斯涅尔定律，光的出射角为：
对于光线从折射率较高的材料内部入射的特殊情况，我们发现存在一个临界角 θ1，当入射角超过该值时，上述方程将无法求解。这种情况发生在方括号内的表达式大于 1 时。当方括号内的表达式恰好等于 1 时，θ1 的值即为临界角，其计算公式为：
例如，对于在空气中折射率为1.5（折射率1）的材料，其临界角为41.81º。当光线以大于该临界角的角度入射到表面时，光线无法折射，因此100%的光线会被反射回材料内部——从而产生全内反射。
什么是全内反射？
当光线在玻璃或塑料等材料内部，以大于临界角的角度遇到折射率较低的物质（通常是空气）的界面时，就会发生全内反射。
对于某些形状，例如矩形板、管道、圆柱体或球体，光线有可能被困在光导管内部，直到到达光导管的边缘或末端。正是这种特性使得光线能够从原始光源沿光导管传输至另一端，且损耗极小。
图4. 这束 光线扇形发源于一块具有平行边界的板状光导板内部。每条光线从起点射出并击中玻璃-空气界面。部分光线发生折射（并射出），但那些以大于临界角的入射角击中界面的光线会发生全内反射，并反射回光导板内。发生全内反射的光线会继续沿光导板的长度方向进行全内反射。
图5. 一个 非常简单的圆柱形光导管，左侧装有一个小型LED光源。光线通过圆柱体的端面进入光导管，100%的光线发生全内反射并被困在光导管内，随后传输至另一端并从那里射出。
沿光导管长度方向提取光
如果光导管的设计目的是沿其长度方向提取光线，设计者可以在光导管的长度方向上设置提取结构。这些结构可以有多种形式，但较为常见的包括涂漆点以及切入光导管中的小型棱镜状结构（通常称为纹理），如图6所示。
这些导出结构会改变照射到结构上的光线方向，从而打破全内反射循环，将光线从光导管中导出。通过改变导出结构的密度或尺寸，可以实现光导管的光输出均匀化，甚至形成预期的光斑图案。对于某些纹理而言，还可以控制光线从光导管中射出的方向。
在图6中，先前被光导管捕获的部分光线现在被提取出来，且离光源越远，光导管中捕获的光线量就越少。请注意，部分光线也会朝与观察方向相反的方向被提取出来，这通常是不希望看到的。可以通过在光导管的纹理侧添加一个反射面，将光线重新导回光导管中，从而解决这个问题。
图6. 图中所示 的光导与图5中的相同，但此次在光导与观察方向相对的一侧增加了光提取结构。
导光板有各种形状和尺寸
导光管不必总是又长又直，它们也可以是弯曲的形状。它们可以根据需要逐渐变细、变宽，或改变横截面形状。它们可以呈现出非常复杂的形状，常用于照亮汽车仪表盘、汽车外部照明以及手持设备的键盘。
图7. 这款 光导管造型复杂，可用于汽车内饰或外饰领域。右侧是其光提取结构的特写。
一些最重要的导光板是用于为电视、显示器、手表等设备的平板显示屏提供背光照明的平板。这类导光板是由薄而平的材料制成，其一侧模压有导光结构。 光线通常通过一个或多个边缘（通常由LED提供）注入导光板。通过精心布置出光结构，可以实现所需的输出光分布（通常为均匀分布）。由于系统结构复杂，需要借助照明设计软件来优化纹理布局，从而实现理想的光分布效果。
图 8. 本图 展示了一种用于小型手持设备的平板式导光板。底部有三个 LED 向导光板注入光线，而光线提取结构仅设置在设计师希望提取光线以照亮控制按钮的位置。右侧图像显示了由此产生的光分布图案。
光导也可以采用光纤的形式。光纤是由玻璃制成的非常细且柔韧的“线”，由高折射率的中心芯和低折射率的包层组成。光纤在长距离传输光方面非常有用，并被广泛应用于电信、医学成像和激光手术等多种领域。
形状对导光板有何影响？
虽然光导管可以弯曲并呈现更复杂的形状，但光泄漏大多发生在这些弯曲处。在弯曲处，部分被全内反射（TIR）困住的光线可能会以小于临界角的角度遇到光导管边界，从而逸出光导管。这需要通过软件设计和仿真进行仔细控制。
图9. 该圆 柱形光导管有一个65度的弯曲，光损耗约为10%。弯曲角度越小，在弯曲处逸出的光就越多。
光导管的锥度设计也可能导致光泄漏。通常情况下，随着距离光源的增加而增大横截面积不会造成问题，但横截面积的减小通常会导致光损耗，原因可能是光泄漏，也可能是光在光导管内发生折射并折返至光源。如果注入光导管的光覆盖的角范围较大，这种情况尤为明显。
图10. 该 圆柱形光导管经过锥形处理，使其在远离光源的一端横截面积增大。在此情况下，100%的光线通过光导管传输至出射面。
图11。这是 与图10中相同的导光管，但锥度方向相反，以减小导光管的横截面积。在这种情况下，由于光泄漏严重，只有约6%的光能到达出射面。
为什么光导管很重要？
图12. 汽车尾灯中使用的导光管 。这些导光管既作为信号装置，也作为设计元素。
光导管的一个常见用途是将光线均匀地分布到较大的区域。其应用范围非常广泛，从信息显示到控制照明，再到重点照明。凭借其光线分布能力，照明工程师可以减少高功率光源的使用数量，从而简化系统并节省成本。而且，由于光导管可与节能型LED配合使用，因此在许多照明场景中都能提供高效且经济实惠的解决方案。
如何设计光导管？
尽管导光板是相对简单的无源器件，但光与它们的相互作用却十分复杂。要设计出性能良好且光效表现恰到好处的导光板，需要经过精心设计。LightTools和LucidShape等照明仿真工具为照明工程师提供了完善的工具集，使其能够在投入时间、资金和精力制作原型之前，对导光板与光源的组合进行设计、优化及性能分析。当工程师对软件模型的性能感到满意后，即可制作原型，并将仿真结果与实际测量数据进行对比验证。
光导管的设计更为复杂。工程师必须合理布置纹理，才能使光导管达到预期的输出效果。此外，工程师还需验证导出光线的传播方向，因为这会影响光导管的亮度和外观。要完成这些工作并处理许多光导管所需的复杂形状，必须借助 LightTools 或 LucidShape 等专业工具。
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