1. 引言
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。 2. 原理 导光柱利用全内反射(TIR)，将光线从导光柱入口透射到导光柱出口。导光柱材质的折射率是影响导光柱临界角的唯一因素，该折射率定义全内反射发生时的接收角。 临界角 (θc)的计算公式为
若入射角大于θc，则会发生全内反射，光线会在导光柱传输，如图1所示。
图1：导光柱 （图片来源：edmundoptics.cn)
由于光线以不同入射角进入导光柱，则导光柱内的光线反射角均不相同。最小入射角等于临界角，在相同长度的导光柱中，它比以大于临界角许多倍的入射角进入的光线获得更多反射（图2）。
图2：不同入射角的全内反射 （图片来源：edmundoptics.cn) 导光柱的设计不适用于平行激光光源。对于均匀化平行光源，建议使用微透镜阵列或平顶激光光束整形器。
3. 设计 导光柱常配合LED光源使用，设计时首先需要考虑3个问题： （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。 3.1 LED耦合进入导光柱 通常情况下，如果LED在导光柱的外部，并且LED与导光柱之间有空气间隙时，由于LED有较大的发散角，LED的耦合进入导光柱效率是很低的。 如图3所示，当LED在导光柱外部时，只有在LED光线发散角与导光柱的接收角相匹配时，LED的光线才能耦合进入导光柱，因此很难做到高效率的光耦合，绝大部分LED产生的光都会损失掉。此种情况下，只有不到10%的光通量能被耦合进导光柱内。
图3：LED位于导光柱外部 （图片来源：oreadesign.com)
也可以采用一个透镜将LED的光线进行聚焦后耦合到导光柱内，如图4所示，并且聚焦后的光线刚好与导光柱输入端相匹配的话，耦合效率可以达到80%。但是这样的设计会大大增加产品的成本。
图4：LED+透镜位于导光柱外部 （图片来源：oreadesign.com)
导光柱最有效的设计就是将LED固定到导光柱的内部，如图5所示。在这种结构中LED是位于导光柱内部的，LED发出的所有光线全部会被导光柱所捕获，考虑到菲涅耳损耗，光线的耦合效率可以达到92%。
图5：LED位于导光柱内部 （图片来源：oreadesign.com)
如果将LED用光学环氧胶粘合到导光柱内部，如图6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，光线的耦合效率将会达到100%。 但是，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。
图6：LED用环氧胶粘合于导光柱内部 （图片来源：oreadesign.com)
3.2 导光柱的设计要求 导光柱平行于光线传播方向的侧壁应当非常光滑，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，这可以将反射角小于临界角的光线反射，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耦合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）。 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7所示逐渐变化。
图7：导光柱的设计要求 （图片来源：oreadesign.com)
3.3 导光柱与不同类型LED的匹配 （1） 贴片LED 对于贴片LED其发光区域是平坦的表面，导光柱的输入端可以做成光滑的与LED表面平行的平面，导光柱输入端贴近LED以提高耦合效率，如图8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8：贴片LED与导光柱 （图片来源：oreadesign.com)
贴片LED的封装一般是立方体，光线是发散的，既从顶部出射也从侧面出射。只有40%的光是从LED顶部出射的，另外60%的光是从LED侧面出射的。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。
图9：贴片LED与内凹设计的导光柱 （图片来源：oreadesign.com)
（2） 圆形LED 圆形LED灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。 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，以保证耦合效率，如图10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。
图10：圆形LED插入导光柱输入端以获得更高的耦合效率 （图片来源：oreadesign.com) （3） 长条形LED 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11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。
图11：长条形LED光源的导光柱 （图片来源：oreadesign.com)
3.4 导光柱的弯角 导光柱有时需要弯角，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12所示。
图12：90°平滑弯曲的导光柱 （图片来源：oreadesign.com)
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13所示。
图13：带有45°反光镜的导光柱 （图片来源：oreadesign.com)
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