汽车内饰氛围灯中的光纤应用技术

近几年，国内汽车工业的发展日新月异，突飞猛进，尤其是新能源汽车的研发正处于世界领先水平，汽车作为一件高集成度的产品，应用了大量的新技术，新材料并不断更替，导光材料是当前汽车车灯材料不可缺少的一种，其应用于前大灯，尾灯，示阔灯，日间灯，踏板灯，内饰氛围灯等等。汽车内饰氛围灯的兴起，成为了汽车内饰的最大亮点，也成为了新能源汽车的标配。而汽车内饰氛围灯的也用了各种导光材料，如 PMMA，PC，PU 等，光纤在汽车内饰氛围灯的应用越来越多，有着使用方便，安全可选，光效果好，寿命长的优越性。

2.1 光纤的诞生

光纤是光导纤维的简称，诞生生于 1960年，1966 年 7 月，英籍华裔学者，前香港中文大学校长高锟博士（K.C.Kao）在 PIEE 杂志上发表论文《光频率的介质纤维表面波导》，从理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并预言了制造通信用超低损耗光纤的可能性。高锟因此获得2009 年诺贝尔物理学奖，高锟也被尊称为光纤之父。

2.2 光纤导光原理

光纤之所以能长距离导光决定于光纤的的材料结构，它是由高折射率的纤芯和低折射率的纤皮构成，也就是说光纤是一种由纤芯和纤皮两种材料构成的光导体，光纤导光必须具备的条件是纤芯折射率大于纤皮折射率，入射光在光纤芯皮界面产生全反射、反射和折射，折射光穿过纤皮层从光纤侧面射出，反射光再次反射和折射，多次的全反射、反射和折射使得光纤长距离导光。其导光原理如图 1：

光纤区别于其它导光材料的特点：频带宽，损耗低，重量轻，性能可靠。

2.3 光纤分类

按用途光纤分为两大类，即通信光纤和非通信光纤。

通信光纤是利用光纤传输不同波长的光信号的特点以实现通信的光纤，通信光纤是信息时代和大数据云计算时代的必不可少信号传输介质，成为了信息时代的命脉。

非通信光纤即通信光纤以外的光纤统称为非通信光纤，按材料不同分为石英光纤，多组分玻璃光纤和聚合物光纤。非通信光纤按传光性能的不同可以实现各应用领域的应用，如医疗照明与诊疗，激光传输，紫外固化，传感，检测，军事瞄准器，刑侦传像及装饰照明等。

3.1 端面发光聚合物光纤

这种光纤包括 PMMA 光纤和 PS 光纤，以挤拉工艺制做，直径一般在 0.25~3mm，以可挠性好，成本低和易安装的特点应用于汽车星空顶内饰氛围灯，用做星空顶的光纤可直径不同，以体现出远近不同的层次感。如图 2：

侧发光光纤是指光纤传输过程中，光纤圆周面通体发光的光纤，亦称通体发光光纤。它利用纤芯和纤皮折射率的差异，使更多的折射光透过纤皮溢出，从而达到侧面通体发光的效果。有挤拉法和灌装法两种生产工艺。主要用于汽车内饰灯带氛围灯。如图 3：

优点：（1）可挠性好，材料的塑性和硬度适中，可随意任意方向弯曲，适合任何形状的模具安装。（2）导光呈连续性且亮度均匀，可通过调整原料透过率来调节使用长度范围内的亮度均匀性。（3）耐候性好，以 PU 为纤芯的侧发光光纤，抗高温和低温性能强，能满足汽车内饰材料 -40~95℃的相关标准要求。（4）耐腐蚀性好，由于纤皮材料使用了氟树脂（铁氟龙），其耐酸碱腐蚀性和耐盐雾性能好，使用寿命可达 10 年之久。（5）可任意裁切，即裁即用。裁切端面无需处理，使用更方便。（6）光纤芯皮材料符合安全环保要求。（7）成本低，应用广。

缺点：（1）由于采用灌装工艺方法制作，易产生直径波动。（2）对金属等刚性材料安装固定件有一定的要求。（3）低温下安装操作易造成芯皮脱层，产生斑影，从而导致整体发光不均匀。（4）单芯光纤最小弯曲半径大于多芯光纤，弯曲时会在弯曲部位产生光衰，影响光纤整体均匀性 。

3.3 侧发光玻璃光纤

用于汽车氛围灯的侧发光玻璃光纤是由多根细如发丝（光纤直径大约 10ևm）的玻璃光纤组成一束，外层包覆半透明套管制作而成，光纤直径可以做到 2.0mm 以上，护套管为白色，目前用的较多的侧发光玻璃光纤主要是德国肖特的产品。

优点：（1）可挠性很好，可弯曲半径小，不易造成弯曲光衰。适用于任意形状的模具符合车规要求。（2）导光均匀性好；（3）耐候性好，以玻璃为纤芯，以 PU 或硅胶为外包层材料，抗高温和低温性能强，能满足汽车内饰材料 -40~95℃的相关标准要求。（4）耐腐蚀性好，由于外包层材料为 PU 或硅胶，其耐酸碱腐蚀性和耐盐雾性能良好，使用寿命可达 10 年以上。（5）符合安全环保要求。

缺点：（1）玻璃光纤材料成本高，按使用长度裁切的光纤需要对裁切端面进行适当处理来降低耦合损耗，因此制作成本高。（2）不可即裁即用，须按定长制作。（3）安装使用过程中容易造成光纤内部断丝，每一根断丝便产生一个亮点，增加了衰减，导光均匀性被断丝破坏。（4）由于是多芯光纤，每根光纤间的缝隙面积大约占光纤横截面的15%，因此导光效率低，同一光源导光亮度比单芯聚合物光纤低。

4.1 光源种类

2005 年以前汽车装饰照明采用光纤照明系统其光纤光源器也无别的选择，只能选用卤素灯或氙灯，这类光源体积大，热量高，寿命短，长时间工作产生的热量会带来安全隐患。

2005 年后 LED 灯迅速发展，LED 以热量少，体积小，寿命长等优点，取代卤素灯，成为汽车光纤照明的最佳光源，成为光纤在汽车上的应用主要光源配件，目前所有汽车氛围灯的光源均采用 LED 光源。

4.2 光源发光颜色

LED 灯最大的优点是其色温可控，基本上想用什么颜色都可以得到满足，除了红黄蓝绿等彩色可选，白光 LED 也有不同色温可选，给了灯光设计师无限的发挥空间；打造汽车座舱内舒适的灯光氛围，对光源色温的要求是应该是谨慎和严格的。

4.3 光源的功率

汽车氛围灯作为车内辅助照明灯，其功率是一个重要性能指标，一般不宜过大，功率过大，LED 芯片工作时热量大，散热解决不好的话会严重影响 LED 灯的寿命，功率过大驾舱内灯光过亮会干扰驾驶员安全驾驶，目前国内对氛围灯亮度没有统一标准要求，从前些年来诸多汽车制造商配套使用的氛围灯光源的经验看，选择使用 0.2W 电功率贴片LED 较为合适。

4.4 可变颜色

今天用的 LED 实现光源变色易如反掌，成熟的 LED 控制驱动器可以驱动 RGB 模式或是 RGBW 模式的 LED，呈现出上百种光变化效果，满足车内个性化的氛围灯灯光效果。

星空顶氛围灯最早出现在欧洲的一些高端车，小客车光纤星空顶的制作受工艺影响和饰板形状与表面材料的影响，基本是全手工制作，目前国内一些厂商仍然延用这种方法，主要分以下几个步骤：

（1）星空顶氛围灯的设计：星空顶氛围灯是照明系统，它的设计包括光点分布，光源控制模式的设计，光源的安装及以光纤和线束的走向。

光点分布：有图案式，无序式，星座式等。

光源控制模式：对光源颜色的控制，亮度的控制，光变化控制等。

光源安装：要确定光源放置的位置和安装方式，考虑光源的散热和防水环境。

线束走向：要考虑易安装和维修。

光纤走向：要考虑光纤集成一束后的最大直径，就有足够的夹层空间接入光源接口，光纤走向要对应光源接口。

（2）顶棚内饰面打孔：按 1：1 比例将图案覆盖到顶棚饰板上，用电钻在图案设计的光点上打孔，要选择比光纤大 0.1mm 的直柄麻花钻头，打孔时应保持钻头垂直于饰板表面，不同大小的光点要替换不同直径的钻头。

（3）插光纤：根据光点孔大小选用合适的光纤，把光纤一端剪成斜尖头，蘸胶水1cm 长，从饰板反面穿插于孔内，使光纤穿过饰板约 1-2cm，待胶水固化后操作下一步。

（4）集束：将光纤按设定走向集成束，设定几个光源就集成几束。

（5）耦合处理：将集成束的光纤，插入光纤耦合端套，端套外多余的光纤用热切割的方式切掉，再用打磨机将耦合套光纤表面打磨光滑，插入光源接口固定。

（6）光源安装：接好光纤的光源按设定的位置和固定方式安装固定，连接导线。

（7）饰板正面的处理：由于光纤穿插出饰板表面 1—2cm，用剪刀将饰板正面长出的光纤剪掉，应确保光纤不高于饰板表面。

6.1 侧发光光纤应用于汽车氛围灯的优点

从光效果上看，光纤通体发光是连续的，其均匀性是其它导光材料不可比拟的；从安装件考虑侧发光光纤的安装结构简单，安装方便，安装件成本低，易操作；从后期维护看，因光纤导光效率高，光源功率不需要太高，即产生热量少，使用寿命长，安全可靠，维护成本低。

6.2 侧发光光纤应用于汽车内饰氛围灯应注意的问题

侧发光光纤作为氛围灯的导光材料，使用中应该注意如下三个问题

6.2.1 如何提高光纤与LED光源的耦合效率

光纤与 LED 光源对接称之耦合，耦合得越好光损耗越低，耦合效率越高，影响耦合效率的因素有三点，即光纤端面的平整光洁度，光纤与光源之间的距离，光源中心与光纤端面中心的同心度；因此提高耦合效率就要求光纤端面平整光洁，要求光纤端面与光源之间距离尽量少。

6.2.2 如何设计光纤的安装支撑件

光纤安装支撑件也称之为安装支架或安装模具，也就是固定和支撑光纤氛围灯的结构，一种方式设计成卡点式，即每隔一定距离设置一个卡子，这种固定光纤的方法使光纤圆周面全部裸露，光纤发出的光照射于反光面后亮度高且均匀，弥散光照效果好。另一种方式设计成卡槽式，即光纤放置于整条卡槽内，光纤圆周的光只有一面发出，其它三面被卡槽遮住，因此氛围亮度会低一些。应该注意的是无论卡点式还是卡槽式支撑件，都要依据光纤直径设计。如图 4：

6.2.3 聚合物光纤低温下如何避免芯皮分离

聚合物光纤硬度受环境温度影响较大，低温时，光纤硬度增加，温度越低硬度越高，一般环境温度低于 15℃时，弯曲和挤压容易造成光纤芯皮分离，点亮光源后光纤表面亮度降低或产生阴影斑纹。 低温下安装光纤，最好先将光纤在温箱预热后使其柔软性增加，从温箱取出光纤后在光纤未完全冷却变硬之前安装操作完毕。

6.3 侧发光光纤用于汽车氛围灯的案例

侧发光光纤应用于汽车氛围灯已经有十多年的历史了，早在 2007 年南京春辉科技实业有限公司的侧发光聚合物光纤首次应用于安源客车，2010 年德系车的部分高端车型使用了德国 SCHOTT（肖特）公司的侧发光玻璃光纤氛围灯，随后美系车使用了日本的侧发光聚合物光纤，2012 年上海通用公司开始在国内生产的小客车上使用了南京春辉科技实业有限公司自主研发的侧发光聚合物光纤，2013 年后国内众多车企诸如吉利、众泰、长安等众多国产车型。

光纤作为一种导光材料在汽车氛围灯结构中充当着重要的角色，有着其它材料不可比拟的光学特点，已经广泛应用于汽车、家电，家具、消费电子等各种产品中，光纤要适应汽车氛围灯的要求并且得到更广泛的应用还需要不断创新，需要优化现有产品，提升产品品质，需要推出性能更好，种类更多，使用寿命更长，安装更便捷的产品，要在应用技术上创新和推广，让更多的人了解光纤，会用光纤，用好光纤，只有这样，光纤在氛围领域才能有更好的应用前景。

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