TracePro在LED模擬中的應(yīng)用

紀(jì)誕磊 曾令軍 程 波 吳平輝

（湖州師范學(xué)院理學(xué)院 浙江 湖州 313000）

0 引言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種新型固態(tài)冷光源，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，體積小，耗能少，顯色性好，響應(yīng)時(shí)間快，抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。因此，它在現(xiàn)代光電顯示與照明中有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景，例如建筑物照明，街道照明，景觀照明，標(biāo)志牌，信號(hào)燈以及住宅內(nèi)的照明等。雖然LED芯片本身可以近似為朗伯光源，但這種光源很難滿足現(xiàn)實(shí)中的各種照明需求。鑒于此，如何將LED芯片發(fā)出的光盡可能的引出并滿足實(shí)際需要成為一個(gè)關(guān)鍵問題，這就需要對(duì)LED進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件。相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬軟件，TracePro具有建立逼真的實(shí)體模型，優(yōu)秀的光學(xué)分析功能，強(qiáng)大的資料轉(zhuǎn)換能力及簡(jiǎn)易的圖形使用界面等特點(diǎn)，極大的節(jié)約了人力資源，縮短設(shè)計(jì)周期[2-4]。因此，TracePro在LED模擬設(shè)計(jì)中有重要作用。本文以西門子LWT676LED為例，介紹TracePro在LED模擬中的應(yīng)用。

1 模擬設(shè)計(jì)過程

TracePro用于照明設(shè)計(jì)的一般流程如圖1所示。

圖1 模擬設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Simulation Design Flow Chart

這里所模擬的西門子LWT676LED的模型參數(shù)如圖2所示。

圖2 模型參數(shù)Fig.2 Model Parameter Diagram

圖3 西門子LWT676實(shí)體模塊Fig.3 Siemens LWT676 Entity Module

西門子LWT676LED主要由外殼、圓錐反射器、擴(kuò)散器和LED芯片組合而成。在TracePro中分別建立各部分的實(shí)體模型。首先建立外殼：選擇一塊長(zhǎng)度為3.00mm，寬度為3.4mm的薄板表面進(jìn)行拉伸填充，拉伸距離分別為0.9mm、0.2mm、0.9mm，角度分別為 4°、0°、-4°，完成操作后構(gòu)成外殼。 其次建立圓錐反射器：在YZ視圖中距離Z軸1.1mm處，插入一個(gè)上下底半徑分別為1.2mm、0.65mm，長(zhǎng)度為0.9mm的圓錐體，建立完成后與外殼進(jìn)行布林相減運(yùn)算，定義圓錐體內(nèi)表面屬性為鏡面反射。然后構(gòu)建擴(kuò)散器：通過在圓錐反射器出口端插入半徑1.2mm，厚度為0.01mm的薄圓柱體作為其擴(kuò)散器模板，表面定義為散射。最后是建立LED芯片：建立一塊發(fā)光面積為0.4mm×0.4mm，厚度為0.15mm的方塊作為L(zhǎng)ED芯片。至此，LED模型建立完畢，如圖3所示。

編輯并應(yīng)用擴(kuò)散器的內(nèi)表面屬性。首先，選擇添加屬性，屬性名為朗伯?dāng)U散器（Lambertian Diffuser）。 其次，選擇散射模型（Surface Model）為ABg，設(shè)置吸收系數(shù)，在求解（Solve for）的下拉菜單中選擇BTDF運(yùn)算，并保存屬性。將擴(kuò)散器內(nèi)表面應(yīng)用朗伯?dāng)U散器屬性（Lambertian Diffuser），將圓錐孔的側(cè)面和底面屬性均設(shè)置為理想鏡面（Perfect Mirror）。

完成模擬建立和定義屬性之后便開始進(jìn)行光線追跡。選擇LED芯片的上表面作為發(fā)光表面，采用朗伯型配光曲線，光線數(shù)量為50000條，光波長(zhǎng)為0.5461μm，發(fā)射形式為光通量（Flux），其強(qiáng)度為0.05lm，完成后進(jìn)行光線追跡，因其光線數(shù)量太多，我們選擇光線顯示數(shù)量為1%，如圖4所示。

圖4 光線追跡圖Fig.4 Raytrace Diagram

2 結(jié)果分析與討論

選擇擴(kuò)散器的外表面作為參考面，進(jìn)行光照度分析選項(xiàng)設(shè)置，獲得相應(yīng)的光照?qǐng)D如圖5所示。

LED光源的空間光強(qiáng)分布和發(fā)光角度是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)橛斜匾治銎淇驳吕瓐D。在設(shè)置坎德拉圖選項(xiàng)的基礎(chǔ)上即可獲得圖6所示的坎德拉分布圖。將其與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者基本一致，這驗(yàn)證了上述模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 光照度圖Fig.5 Irradiance Diagram

圖6 坎德拉圖Fig.6 Candela Plot Diagram

3 結(jié)論

本文以TracePro對(duì)西門子LWT676LED光源的模擬為例，介紹了TracePro在LED模擬中的應(yīng)用。

［1］張鑒,楊明武,胡智文.LED環(huán)氧樹脂封裝的光學(xué)設(shè)計(jì)與模擬[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,31(10):1695-1698.

［2］朱焯煒,蘇宙平,闕立志.基于TracePro的LED透反式準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)與仿真[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(1):108-111.

［3］吳中林,吳恒萊,占美瓊,陳林,沈濤.40W大功率白光LED光源模塊的研制[J].光源與照明,2007,3(1):28-29.

［4］錢雯磊,李筠,陳曉榮,戴曙光,陳祥熙.用 TracePro設(shè)計(jì)高功率 LED[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2007,28(8):967-970.