产品灯效设计上用到的导光原理似乎主要是光的反射和折射原理。我们在高中数学课上就早已学过这两个原理,只是当时我们大多是疲于应付考试,并没有在实际应用中深入了解。不止本文所说的知识点,还有好多生活上实际使用的产品,虽然原理我们早早已学过,但当我们在设计里面对困局时,却不晓得怎么应用。我个人也经常碰到这些情况,也时常一知半解,未能从根本上或则原理上真正理解问题,甚至解决问题光的反射和折射的区别,这时能采取的办法也只能是我们自觉得引以为傲的经验法,蒙对了这一题,但是下一题个别变量改变了一下就无从下手了。此类情况我相信好多人都面临过,直至我带着问题再翻看曾经学过的理论知识时才感悟到一丝丝恍然活泼的觉得。这也是我为何不直接写有关于导光结构的相关设计而是先从工业设计再到原理的缘由,我个人觉得这些技巧论能让我更清晰地理解问题,其实因为个人能力,难以做到真正的柳暗花明,但起码也是种思索吧,明天屁话有点多了,下边开始正文吧!
01光的反射
光的反射:当光射到两种不同介质的分界面上时,便有部份光自界面射回原介质中的现象。
生活上常见的反射现象通常都是从光空气中射入其他介质形成的反射,而产品设计的导光结构,多数是从其他介质(导光柱、导光板)射入空气时在介质内部形成的全反射,也就是灯光在介质中进行全反射传播,直到光线射出出光面。
上图为光的反射原理图,其中,
1.反射光线与入射光线、法线在同一平面上;反射光线和入射光线分居在法线的一侧;反射角等于入射角。
2.光具有可逆性,光的反射现象中,光路上是可逆的。(意思就是光倘若从反射光线方向入射,此时的反射光会从之前的入射光线方向射出)
光的反射又分镜面反射和漫反射
镜面反射:是指若反射面比较光滑,当平行入射的光线射到这个反射面时,仍会平行地向一个方向反射下来,这些反射就属于镜面反射。
漫反射:当一束光射到粗糙(凸凹不平)的表面时,表面会把光线奔向四面八方反射,所以入射线虽然是相互平行,因为各点的法线方向不一致,导致反射光线向不同的方向无规则地反射,这些反射称之为“漫反射”。
区别:发生镜面反射时,我们只能在某一个方向上看见反射光线,而漫反射,可以在不同角度见到反射光线。
将车辆后视镜表面镀一层雾化膜,可以对周遭环境的光源或反射光源的光反射达到散射的疗效,防止反射光线从一个方向射向车主耳朵。
02光的折射
光的折射:光从一种透明介质斜射入另一种透明介质时,传播方向通常会发生变化,这些现象叫光的折射。
上图为光的折射原理图,其中,
1.在两种介质的交界处,既发生折射,同时也发生反射,反射光光速与入射光相同,折射光光速与入射光光速不同。
2.光从空气斜射入水等介质中时,折射角大于入射角;光从水等介质斜射入空气中时,折射角小于入射角。
3.入射光线垂直界面入射时,折射角等于入射角等于0°。
4.在光的折射中光路也是可逆的。
折射率:光从真空射入介质发生折射时,入射角α的余弦值与折射角β的余弦值的比值为以固定值,称为该介质的折射率n。即,n=sinα/sinβ。
两种介质进行比较时,折射率较大的称光密介质,折射率较小的称光疏介质。
全反射:又称全内反射,指光由光密介质射到光疏介质的界面时,全部被反射回原介质内的现象。
我们晓得,光由光密介质射到光疏介质时,折射角小于入射角,当入射角降低到某种角度值时,折射角减小到90°,此时的状态称为全反射临界状态,此时的入射角称为全反射临界角,当入射角继续减小,因为无折射,全部光线均反射回光密介质。(注意:当光线由光疏介质射到光密介质时,由于光线紧靠法线而折射,故这时不会发生全反射。)
由此可知发生全反射的两个条件:
1.光由光密介质射到光疏介质;
2.入射角小于临界角。
折射率大的物质,同等条件下光偏折能力越强,更容易发生全反射。
临界角的估算:
举例:例如导光柱的材质一般为PMMA,其折射率约为1.5,空气的折射率为1.0,光在导光柱内发生全反射的临界角由公式:n密*sinβ=n疏*sinα,(其中α=90°,n密=1.5光的反射和折射的区别,n疏=1.0)可得,α≈42°,这也是导光柱90°拐角一般直接倒个45°斜角的缘由,让光在导光柱内部发生全反射,并改变光的传播方向。
02菲涅尔反射耗损
菲涅尔反射耗损:当光线通过交界面从一种介质步入另一种介质时,光在界面上会发生反射和折射,反射光因为不步入前方介质中造成不能借助而耗损了,这些耗损叫做菲涅耳反射耗损。
所以,导光柱的出光面,通常做雾化处理,致使出光面凸凹不平,以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,保证光线(折射光)可以从导光柱内部较容易地逃逸下来,降低菲涅耳反射耗损,同时将光线以极宽的角度散射出去,这样不论从那个角度看过去导光柱的输出端都是亮的。
假如需导光件在外型上大面积看上去是一种均匀发光的疗效,须要在出光表面处理成有一定的粗糙(雾化)疗效,也是同样的道理;或则是在内部添加一定比列近视剂(注意添加量减小,透光率会增加,添加量通常为塑胶重量的0.5-1.0%左右,制品壁越厚,添加量越少),让光线在内部就早已发生漫反射,同时在外边看不到上面的灯管,这样疗效会愈加理想。
灯座添加近视剂的前后对比
02背光模组发光原理
LED光源提供光线,步入导光板后,借助导光板上的光反射点破坏全反射,使光线从导光板上表面射出,(其中,反射片将从导光板顶部露出的光反射回导光板再借助,以降低光的使用效率。),之后射入下扩散片将光线散射并均匀化,之后通过增光片的增光聚光以及其它光学材料的光学处理后,其最终结果是将光线在模组的表面均匀化和特定视角内加强,供应给LCD模组显示使用。
图为侧光式背光模组的构造