什麼是導光管？
光導的定義
光導（有時也稱為光管）是一種將光線從光源（通常是 LED）導向到需要光線的地方的裝置。
光導通常由玻璃或塑膠製成，折射率通常約為 1.5。在正確角度範圍內注入光導的光線，會因稱為全內反射 (TIR) 的現象而困在光導內部。一旦被困住，光線會一直留在光導內部，直到被提取特徵取出、被材料完全吸收，或遇到小於臨界角的表面。
在某些情況下，目的是將光線從光導的一端移動到另一端。其他時候，目的是沿著光導的長度提取光線並將其發送到特定方向。這會使光導看起來被點亮。這種提取是透過在裝置中添加組件來實現的，例如油漆點或紋理（小凸起或孔洞），這些組件會影響光線的反射方式，打破 TIR 條件並導致光線離開光導。
其他類型的光導會將來自一個或多個光源的光線均勻化。透過讓光線沿著光導的長度傳播，同時從側面反射，光線會被「混合」，並且從光導末端射出的光線在空間和角度上都是均勻的。
圖 1. 此範例中的光導是您可能會在投影機中找到的混合棒。光導將來自傳統光源和反射器的光線均勻化。在輸入端，光線在中心急劇達到峰值；在輸出端，光線在光導的出口面上空間均勻，該出口面具有 16:9 的長寬比。
目錄
什麼是折射率？
對於透光材料，例如玻璃、水或空氣，折射率表示光線穿過該材料的速度。折射率越高，光線穿過材料的速度越慢。此方程式表示材料的折射率：
其中 n 是折射率，c 是光在真空中的速度，而 v 是光在材料中的相速度。真空雖然嚴格來說不是一種材料，但其折射率為 1。水的折射率為 1.3333。用於光導的玻璃和塑膠，對於可見光的折射率通常約為 1.45 到 1.6。
當光線遇到兩種不同折射率材料之間的邊界時，穿過邊界的光線會彎曲，這會改變光線的方向。這個過程稱為折射，並受司乃耳定律的支配。
什麼是司乃耳定律？
司乃耳定律指出，光線射出的角度取決於光線撞擊邊界的角度以及材料折射率的差異。折射率差異越大，入射角越大，彎曲程度就越大。支配折射的司乃耳定律，其中 n 是折射率，而 θ 是光線在材料 1 或材料 2 中的入射角：
圖 2. 司乃耳定律方程式。
圖 3. 光線穿過平面折射，過程中發生彎曲。虛線代表材料邊界的法線，圖中標示了司乃耳定律所使用的量。
什麼是臨界角？
求解司乃耳定律可得出光的出射角為：
對於光線從兩個折射率中較高者（材料內部）開始的特殊情況，我們發現存在一個角度 θ1，超過此角度方程式將無法求解。當方括號內的表達式大於 1 時，就會發生這種情況。當方括號內的表達式恰好等於 1 時的 θ1 值，稱為臨界角，由以下方程式給出：
舉例來說，對於空氣中折射率為 1.5 的材料（空氣折射率為 1），您會得到 41.81º 的臨界角。以大於此臨界角的角度撞擊表面的光線無法折射，因此 100% 的光線會反射回材料中，導致全內反射。
什麼是全內反射？
全內反射發生在當玻璃或塑膠等材料內部的光線，以大於臨界角的角度遇到與折射率較低材料（通常是空氣）的邊界時。
對於某些特定形狀，例如矩形板或管、圓柱體或球體，光線可能會被困在導光板內部，直到到達導光板的邊緣或末端。這使得光線能夠以極小的損耗從原始光源沿著導光板傳輸到另一端。
圖 4. 這束扇形光線從具有平行邊界的平板導光板內部開始。每條光線從起點發出並撞擊玻璃-空氣邊界。部分光線折射（並射出），但那些以大於臨界角的角度撞擊邊界的光線會發生全內反射（TIR）並反射回導光板中。發生全內反射的光線會沿著導光板的長度持續發生全內反射。
圖 5. 一個非常簡單的圓柱形導光板，左側有一個小型 LED 光源。光線透過圓柱體的端面進入導光板，100% 的光線發生全內反射並被困在導光板中，傳輸到另一端並從那裡射出。
沿著導光板長度提取光線
如果導光板的目的是沿著其長度提取光線，設計師可以在導光板的長度方向上使用提取特徵。這些特徵可以有多種形式，但一些更常見的特徵是油漆點和切割到導光板中的小型稜鏡狀結構（通常稱為紋理），如圖 6 所示。
這些提取特徵會改變撞擊特徵的光線方向，打破全內反射循環並從導光板中提取光線。透過改變提取特徵的密度或尺寸，可以從導光板實現均勻的光線輸出，甚至產生所需的圖案。對於某些紋理，還可以控制從導光板射出的光線方向。
在圖 6 中，一些先前被困在導光板中的光線現在正在被提取，離光源越遠，被困在導光板中的光線量就越少。請注意，一些光線也會以與直接視線相反的方向提取，這通常是不希望發生的。這可以透過在導光板的紋理側添加反射表面來補救，以將光線回收回導光板中。
圖 6. 這顯示了與圖 5 相同的導光板，但這次，導光結構已新增到導光板與視角方向相對的一側。
導光板形狀和尺寸多樣
導光板不一定是長而直的，也可以是彎曲的形狀。它們可以根據需要變細、擴口或改變其橫截面形狀。它們可以呈現非常複雜的形狀，常用於點亮汽車儀表板、汽車外部照明應用以及手持式裝置上的鍵盤。
圖 7. 此導光板具有複雜的形狀，可用於汽車內部或外部應用。在右側，您可以看到導光結構的特寫。
一些最重要的導光板是平板，用於點亮電視、顯示器、手錶等平面顯示器。這些導光板是薄而平的材料片，其一面模塑有導光結構。光線通常透過 LED 從一個或多個邊緣注入導光板。透過仔細分佈導光結構，可以實現所需的輸出模式（通常是均勻的）。由於系統的複雜性，需要照明設計軟體來優化紋理佈局，以實現所需的光分佈。
圖 8. 此圖顯示了用於小型手持式裝置的平板式導光板。三個 LED 從底部將光線注入導光板，導光結構僅位於設計師希望提取光線以照亮控制器的位置。右側的圖像顯示了產生的光模式。
導光板也可以採用光纖的形式。光纖是非常薄、柔韌的玻璃「線材」，由高折射率中心核心和低折射率包層組成。光纖對於長距離傳輸光線非常有用，並廣泛應用於電信、醫學影像和雷射手術等各種應用。
形狀對導光板有何影響？
雖然導光板可以彎曲並呈現更複雜的形狀，但大部分漏光都發生在這些彎曲處。在彎曲處，一些被全內反射 (TIR) 捕獲的光線可能會以小於臨界角的角度遇到導光板邊界並逸出導光板。這需要透過軟體中的設計和模擬來仔細管理。
圖 9. 此圓柱形導光板具有 65 度彎曲，並損失約 10% 的光線。彎曲越緊密，在彎曲處逸出導光板的光線就越多。
導光板變細也會導致漏光。一般而言，當您遠離光源時增加橫截面不會造成問題，但減少橫截面通常會導致損耗，可能是透過漏光，也可能是透過將導光板內的光線反向並將其送回光源。如果插入導光板的光線覆蓋大角度範圍，情況尤其如此。
圖 10. 此圓柱形導光板已變細，以增加朝向與光源相對的末端的橫截面。在此情況下，100% 的光線透過導光板傳輸到出射表面。
圖 11. 這與圖 10 中的導光板相同，但錐度反轉以減少導光板的橫截面。在此情況下，大量的漏光導致只有約 6% 的光線到達出射表面。
為何光導很重要？
圖 12. 用於汽車尾燈的導光板。導光板既用作信號裝置，也用作造型元素。
導光板的一個常見用途是將光線均勻分佈到廣闊區域。其應用非常多樣，從資訊顯示到控制照明再到裝飾照明。憑藉分佈光線的能力，照明工程師可以使用數量較少的高功率光源，從而簡化系統並節省成本。由於它與節能 LED 配合使用，導光板可以在許多照明場景中提供高效、節省成本的解決方案。
如何設計光導？
儘管導光板是相對簡單的被動元件，但光線與其互動的方式卻很複雜。設計一個性能良好且具有正確照明外觀的導光板需要仔細的工程設計。LightTools 和 LucidShape 等照明模擬工具為照明工程師提供了設計、優化和分析導光板/光源組合性能的適當工具集，而無需花費時間、金錢和精力來生產原型。一旦對軟體中模型的性能感到滿意，工程師就可以實施原型並將模擬結果與實際測量值進行比較。
導光板出光設計更為複雜。工程師必須正確放置紋理，才能從導光板獲得預期的出光效果。工程師還必須驗證出射光的行進方向，這會影響點亮導光板的亮度與外觀。要完成這項工作並管理許多導光板所需的複雜形狀，需要 LightTools 或 LucidShape 等專業工具。
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