电视前镜导光柱的结构设计

吴昌全

摘 要：文章主要介绍了电视红外接收方式以及导光柱设计结构分析。并且对出现的一些变化情况进行了总结，以些希望在以后的设计中能取得很好的成绩。

关键词：电视；前镜；设计

1 电视红外遥控模式分析

目前电视用遥控基本均采用红外线遥控的方式，红外遥控系统分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管（红外发射头），红外发射头发射的红外线波长在940nm左右，发射功率在+-18度锥角范围内可保持峰值功率的50%。接收部分是一种光敏二极管，与其他放大电路等一起被封装在黑色环氧树脂里面，称为红外接收头；如果采用外屏蔽的话在接收头外还有一层金属屏蔽壳，目前已较少使用。目前我公司常用的两种外形的接收头如图1。

由于红外发射头功率很小，由图1可见，接收头的受光面均做成球面或圆柱面，以聚集发射头发射的红外线，获得足够的信号强度。其中第一种接收头目前使用在LED10系列上，外围尺寸稍小，适用于空间较小的情况下，其外围尺寸5X6mm，受光柱面直径约φ3.4～3.5mm；第二种接收头为最常用的，大部分机型目前均使用，其外围尺寸6X7mm，受光球面直径约φ4.3～4.5mm。

目前我公司部分产品的有遥控距离和角度不达标的情况，主要为03、11等系列。目前我公司产品主要使用第二种接收头，下面以第二种接收头来分析前镜导光柱（即红外接收镜的导光部分）的结构对接收效果的影响。我们先考虑最通常情况：红外线通过正圆柱的实心导光柱直射进入接收头。

图中导光柱直径D为5mm，长度L为8mm，为导光柱的常见尺寸。左图为光线垂直入射的状态，由图可见，如果前镜导光柱截面直径D小于接收头受光面投影直径，接收头受光面并未全部起作用，这就使接收头得到的红外线光通量下降，容易产生信号丢失的情况，实际使用时表现出遥控不灵敏，遥控距离等不够的情况。所以要保证接收头最佳工作状态，前镜的导光柱截面至少需包络直径4.3～4.5mm的圆。如果导光柱截面为圆形，则直径不应小于4.5mm；如果导光柱为矩形，则矩形短边不应小于4.3～4.5mm。

如果此时导光柱尺寸较大、接收头贴紧端面，则接收效果不受影响，否则接收头将只有部分受光面能接收到红外线。根据导光柱长度的不同，要想在15度入射情况下使接收头的所有受光面均能接收红外光，必须增大导光柱的孔径。图中为φ5mm，长8mm导光柱的通关状况，图中可以看出，接收头约有20%面积无法接收到红外光。实际还有小部分全反射光未考虑，（图中品红色线部分）。

因此，考虑接收头本身的受光面大小及+-15度状态下的光线偏移，导光柱的截面尺寸应至少大于5mm较为合适。另外需要注意的是导光柱的两端面均需保证光滑，因凹凸不平的表面会使部分光线散射，易造成接收头受光量的下降。

下面考虑导光柱两端为非垂直平面的情况，入射光暂仅分析垂直入射。

带凹坑有利于接收头球面的定位，但此时的导光柱类似于一个凹透镜，通过它的红外光线将出现发散的情况，有部分红外线便会折射向接收面以外的地方（图中红色线），当导光柱与接收头的间隙d接近0时，此现象基本可以避免，但当间隙增大时红外线的损失量会迅速增加。

由图可以看出一般情况下凸面使导光柱类似于凸透镜，有聚光作用，可使原本边缘的光聚向中间，有利于接收头接收红外线；不过当凸面R值变小（焦距减小）或导光柱较长时（长过凸透镜焦点1.5倍以上），状况会发生变化，光线可能会从中心线的另外一边溜走，使接收效果下降。如果导光柱很长的话可以考虑把后端截面逐渐减小（平滑变化）到小于接收头的受光面，这样理论上可以避免上述状况。

这个状况可近似看作接收头装偏了，这样势必会影响到接收效果，应尽量避免使用，如需要使用，则接收头位置应该适当调整以抵消光线偏转的影响。此情形下还有部分全反射的光线，因一般导光柱长度有限，故此部分光量较小，不再考虑。

以上三种状况组合又会产生不同的状况，可以根据上述情况再加以分析。（注：以上光线轨迹为简单模拟，未根据折射率计算，实际应用时可根据不同导光柱材料的性质进行设计。）

上面列举的仅为简单光路分析，实际情况下光线经过每一个分界面均会产生反射及其他损失（包括导光柱材料的吸收即漫反射等），反射率会随着入射角的增加而增加，不过如果最基本的光路有问题则再好的材料、再大的发射功率对接收效果的作用也是有限的。

由上面的简单分析可以得出：要想得到较好的接收效果，在导光柱的结构方面需要注意以下几点：导光柱截面需包络不小于φ4.5mm的圆，考虑临界接收状态，当导光柱稍长时，尺寸应增大至大于φ5mm、导光柱内侧面不建议采用凹面的、在外观允许的情况下导光柱外表面可稍有凸起或边缘倒圆角、导光柱外表面尽量不要设计为斜面、接收头尽量贴紧导光柱。

2 实例说明

以下列举一些其他品牌电视产品的红外遥控导光部分结构情况：（1）东芝：42CV500；前镜上的接收头导光柱为红色箭头处，其导光柱为无色透明，端面平整光滑的圆柱，其直径大于5mm。（2）三星：LA40A550；其面壳为半透明材料，但透明度较低，所以其面壳为导光柱开有一孔，导光柱材料为暗红色半透明，其直径大约5mm，端面平整光滑。（3）三星：UA40B6000VF；此为高光半透明面壳，透明度较高，接收头直接贴于面壳后部，无单独导光柱。其接收头类似上面索尼用的，不过引脚不同。

由以上其他品牌产品可以看出：导光柱截面尺寸均不小于5mm圆，实心且前后端面均平整光滑。对于半透明面壳，面壳表面光滑，根据其透明度不同确定面壳是否需要开孔，深色导光柱采用了暗红色，有利于红外线的通过。

3 结束语

为使我们的产品有较好的遥控接收效果，设计前镜导光柱时：（1）其截面直径应大于5mm，或包络最大圆直径大于5mm；（2）端面保持平直，外表面建议不要采用斜面设计，可以为平整微凸，边缘倒圆角；如内表面采用了凹坑设计，需确保接收头受光面与导光柱凹面的良好贴合；（3）导光柱内外表面要光滑，需较高的表面平整度；（4）如需采用深色材料，使用暗紅色材料，且透明度需尽量提高；（5）如面壳采用半透明材料，面壳通光部分不开口，则面壳表面宜光滑，透明度需较高（根据实际测试结果确定）。