白光LED在TracePro中的建模及仿真

趙常昊

摘 要：由于發(fā)光二極管（LED-Light Emitting Diode）本身具有功耗低、高亮度、壽命長、穩(wěn)定性好、重量輕等優(yōu)點，使得LED得到諸多方面的應(yīng)用：固態(tài)照明、信息顯示、背光源、手電筒、景觀照明、手機、電視及汽車領(lǐng)域等。白光LED光源更是凸顯了節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，該文主要研究白光LED發(fā)光機理，以3020封裝的白光LED燈珠為例在TracePro軟件中進行建模及仿真，說明TracePro在白光LED模擬設(shè)計中的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：白光LED TracePro 建模 仿真

中圖分類號：TP36 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0005-02

隨著發(fā)光二極管LED制造工藝的不斷進步和新型材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)及應(yīng)用，白光LED半導(dǎo)體固體光源性能不斷完善并進入實用階段。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。該文利用TracePro進行白光LED的光學(xué)模型建立，并在聚光腔的設(shè)計上提出了優(yōu)化，而且進行了光線模擬及白光LED發(fā)光機理的驗證。

1 白光LED發(fā)光機理

在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是多種單色光合成的復(fù)合光。同樣，LED芯片中也沒有直接發(fā)射出來白光的，目前有以下幾種方法可以讓LED發(fā)出白光：第一，多晶型RGB LED混光；第二，藍光LED+黃色熒光粉；第三，藍光LED+RG熒光粉；第四，UV LED+RGB熒光粉。

該文主要研究的是第二種方式及藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光。2 LED的實體模型建立

根據(jù)3020封裝的白光LED的尺寸圖和結(jié)構(gòu)圖在TracePro中畫出其模型實體，其實體模型如圖1所示。

該文對聚光腔做了設(shè)計優(yōu)化，優(yōu)化后的模型如圖1所示，編輯并應(yīng)用聚光腔的內(nèi)表面屬性。在聚光腔內(nèi)表面應(yīng)用朗伯?dāng)U散器屬性（Lambertian Diffuser），將矩形聚光腔的側(cè)面和底面屬性均設(shè)置為理想鏡面（Perfect Mirror）。

3 LED藍光光源的生成

3.1 LED表面光源生成步驟

（1）在TracePro中打開表面光源生成器（Surface Source Property Generator），利用Wavelengths editor，把藍光芯片光譜特性曲線圖復(fù)制到Spectrum input helper里面，然后根據(jù)曲線描點使其接近光譜特性曲線，取460 nm藍色曲線，點擊sample生成光譜數(shù)據(jù)，如圖2所示。

（2）利用Beam shape profile editor，同樣按照第二步的方式，描出配光曲線圖。

（3）設(shè)置完畢后點擊export，把生成的表面光源命名為blue導(dǎo)入到TracePro中。

3.2 LED表面光源的設(shè)置

設(shè)置LED模型表面光源為blue，波長為0.46 μm。

4 熒光材質(zhì)編輯

（1）打開熒光材質(zhì)編輯器，把黃色熒光粉的光譜數(shù)據(jù)輸入到材質(zhì)編輯器中，保存為YAG。

（2）然后在TracePro中設(shè)置熒光粉層的熒光材質(zhì)為第一步保存的YAG；波長部分設(shè)置，0～0.54波段數(shù)為0，0.54～0.56波段數(shù)為5，0.56～0.59波段數(shù)為20，0.59到無窮波段數(shù)為0；量子反應(yīng)效率設(shè)為0.92，摩爾最高消光系數(shù)設(shè)為39 000 liter/（mole·cm），摩爾濃度設(shè)為0.000 4 moles/liter。

5 模擬仿真

選中接受平面，設(shè)置輻照度分析選項，然后點擊輻照度分析，模擬得到的結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出有白光出現(xiàn)，其藍光、黃光、白光均為真實色彩，這說明該方法可以通過TracePro軟件模擬出白光，也驗證了藍光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光的機理。

6 結(jié)語

該文以TracePro軟件利用3020封裝白光LED為例，利用一種白光LED產(chǎn)生機理，通過建立模型，設(shè)置表面光源及熒光材質(zhì)等，最后模擬出來白光，說明TracePro在模擬白光LED中的應(yīng)用價值很高。

參考文獻

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[2] 紀誕磊，曾令軍，程波，等.TracePro在LED模擬中的應(yīng)用[J].科技視界，2012（24）：37-38.