TracePro軟件在“LED技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用＊

劉康

（福建省廈門(mén)市集美區(qū)廈門(mén)工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021）

1 引言

“LED技術(shù)”是指用發(fā)光二極管作為光源的照明，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、易維護(hù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，是近來(lái)全球最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一，也是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一場(chǎng)照明光源的革命[1]。將“LED技術(shù)”作為光信息科學(xué)與技術(shù)（光電）專業(yè)的本科生開(kāi)設(shè)的一門(mén)專業(yè)課程，旨在向?qū)W生教授半導(dǎo)體照明材料、LED器件、燈具及照明應(yīng)用技術(shù)，了解國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的科技進(jìn)步和最新科技成果，深入半導(dǎo)體照明研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，為今后從事光信息技術(shù)科研及開(kāi)發(fā)工作打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。然而在教學(xué)中對(duì)LED光色度參數(shù)部分內(nèi)容上顯得比較抽象，講解比較生澀，光從頭腦中去想像比較困難，不但增加了教師的教學(xué)難度，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。筆者通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，利用TracePro軟件仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)多種LED光學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，取得較好的教學(xué)效果。

2 TracePro仿真軟件簡(jiǎn)介

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學(xué)模擬軟件，精準(zhǔn)模擬光學(xué)模型的表面效果，如光線吸收、反射、散射和透射等，在開(kāi)模前迅速地確認(rèn)設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化[2]。

TracePro直觀的軟件界面，還可通過(guò)CAD導(dǎo)入/導(dǎo)出，加上互動(dòng)式優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析報(bào)表等整合功能，能輕易解決各種光學(xué)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題，將光學(xué)照明或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念與實(shí)物做一完整呈現(xiàn)，使光學(xué)仿真程度更趨于完美，大幅減低開(kāi)模的花費(fèi)并縮短研發(fā)時(shí)程。且軟件學(xué)習(xí)操作較簡(jiǎn)單，只需分5步完成：①建立幾何模型；②設(shè)置光學(xué)材質(zhì)；③定義光源參數(shù)；④進(jìn)行光線追跡；⑤分析模擬結(jié)果。這在教學(xué)過(guò)程中有利于學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)迅速上手操作，在沒(méi)有硬件條件投入的情況下，學(xué)生對(duì)LED技術(shù)的認(rèn)知比單純學(xué)習(xí)課本知識(shí)更容易接受，且增加了一項(xiàng)軟件操作技能。

3 LED的光色參數(shù)

LED譯為發(fā)光二極管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件，具有二極管的特性，其核心部分是半導(dǎo)體組成的晶片。常測(cè)量及研究的光色參數(shù)主要包括光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、亮度、峰值波長(zhǎng)和相關(guān)色溫等[3]。光通量指光源單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，單位為流明（lm）。發(fā)光強(qiáng)度是光源在指定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，單位為坎德拉（cd）。照度是單位受光面積上所接收的光通量，單們?yōu)槔湛怂梗╨x）。亮度是垂直于傳播方向單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度，單位為尼特（nt）。峰值波長(zhǎng)是光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，單位為納米（nm）。相關(guān)色溫是光源發(fā)射的光與黑體在某一溫度下輻射的光顏色最接近時(shí)的黑體溫度，單位為開(kāi)爾文（K）。這些抽象的理論概念通過(guò)TracePro軟件進(jìn)行LED仿真，可設(shè)置或獲取相應(yīng)的這些光色參數(shù)，使學(xué)生更好地掌握及應(yīng)用。

4 基于TracePro軟件的LED技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)

LED從發(fā)光顏色可分成單色LED和白光LED，隨著LED高亮度化和多色化的進(jìn)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)展，從指示燈到照明領(lǐng)域的各種應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件仿真中，將從LED基礎(chǔ)到應(yīng)用進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)。

4.1 單色LED在TracePro軟件中的模擬

普通單色LED具有體積小、工作電壓低、工作電流小、發(fā)光均勻穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。其發(fā)光顏色與發(fā)光的波長(zhǎng)有關(guān)，光色幾乎覆蓋太陽(yáng)光譜。單色光的波長(zhǎng)往往指的就是峰值波長(zhǎng)。紅光LED的波長(zhǎng)一般為615～650 nm，橙光LED的波長(zhǎng)一般為600～610 nm，黃綠光LED的波長(zhǎng)一般為565～575 nm，綠光LED的波長(zhǎng)一般為495～530 nm，藍(lán)光LED的波長(zhǎng)一般為450～480 nm，紫光LED的波長(zhǎng)為370～410 nm。通過(guò)Tracepro軟件可模擬單色LED的出光效果。首先建立LED幾何模型，然后設(shè)置光學(xué)材質(zhì)，定義光源參數(shù)，進(jìn)行光線追跡，最終獲得出光圖[4]。

比如以藍(lán)光LED為例，幾何模型如圖1（a）所示，定義光源參數(shù)時(shí)設(shè)置為藍(lán)光的出射波長(zhǎng)450 nm。出光全彩如圖1（b）所示，可以清晰地看出藍(lán)光顏色。圖1（c）展示了直角坐標(biāo)系坎德拉圖，可看出發(fā)光角度及各個(gè)角度上的發(fā)光強(qiáng)度。圖1（d）極坐標(biāo)坎德拉圖也可稱為配光曲線，展示的光源出光形狀。圖1（e）、（f）從發(fā)光強(qiáng)度和照度上展示了平面上光源光斑效果。從這些圖形中，學(xué)生可直觀地去理解LED的光參數(shù)，降低了學(xué)習(xí)難度。

圖1 藍(lán)光LED效果圖

4.2 白光LED在TracePro軟件中的模擬

與傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈相比，白光LED具有高光效、開(kāi)關(guān)反應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)。目前實(shí)現(xiàn)白光LED的主要有3種方法：①采用藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉；②采用三基色RBG芯片混色合成；③采用紫外光激發(fā)RGB熒光粉[5-6]。通過(guò)TracePro軟件模擬白光LED的出光效果，自行選擇產(chǎn)生白光的方法。比如選取三基色（紅綠藍(lán)）混合產(chǎn)生白光的方法，模型建立及光參數(shù)選取紅光波段620～660 nm，綠光波段520～550 nm，藍(lán)光波段445～465 nm。模擬效果CIE圖可展示出光顏色及相關(guān)色溫，如圖2所示。學(xué)生可通過(guò)設(shè)計(jì)其他產(chǎn)生白光的方法，進(jìn)一步理解如何實(shí)現(xiàn)白光LED和色溫的概念。

圖2 光源CIE圖

4.3 LED手電筒在TracePro軟件中的模擬

LED具有高亮度、低功耗、壽命長(zhǎng)、尺寸小等特點(diǎn)，所以是隨身照明的理想選擇，而手電筒是一種最簡(jiǎn)易的手持式電子照明設(shè)備。常見(jiàn)的LED手電筒有小巧的鑰匙扣型、多燈頭型、單燈頭大功率型等。小巧型LED手電筒在城市中用于臨時(shí)應(yīng)急照明或夜間看物等并非長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下，還是有一定的實(shí)用價(jià)值。用TracePro軟件自行設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易的LED手電筒，主要由反光杯、透鏡、LED和手柄構(gòu)成，LED手電筒幾何模型如圖3所示。出光效果如圖4所示，可以看出聚光角度較小，學(xué)生可對(duì)此類LED手電筒進(jìn)行優(yōu)化，提高聚光效果，或者設(shè)計(jì)其他類型的手電筒進(jìn)行對(duì)比。

圖3 LED手電筒幾何模型

圖4 LED手電筒直角坐標(biāo)坎德拉圖

4.4 LED陣列在TracePro軟件中的模擬

現(xiàn)階段用于半導(dǎo)體照明光學(xué)系統(tǒng)采用的大功率LED光源一般為單顆1 W，其光通量為100 lm左右。雖然效率比傳統(tǒng)光源高了很多，但如果要用于照明系統(tǒng)，需要多顆LED光源才能滿足光通量的要求。因此，目前在采用LED作為光源的照明光學(xué)系統(tǒng)中，一般都是將多個(gè)LED以一定的形狀陣列排布，將多個(gè)LED的光線在照明目標(biāo)面上疊加加以得到光照度均勻分布。根據(jù)照明燈具的光輸出特性和應(yīng)用場(chǎng)合，將多顆LED組合在一起，有多種排列方式，如線性排列、平面排列、曲面排列、立體排列等。用TracePro軟件自行設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)易的LED陣列排布進(jìn)行建模仿真，如圖5所示。學(xué)生可觀看并分析單個(gè)LED光源發(fā)光效果與陣列排布LED光源有何區(qū)別，如圖6所示，以及設(shè)計(jì)不同排列方式的陣列，對(duì)比出光效果。

圖5 LED陣列幾何模型

圖6 LED陣列直角坐標(biāo)坎德拉圖

5 結(jié)論

LED技術(shù)是第四代照明光源技術(shù)，在實(shí)際教學(xué)中，如果缺乏硬件設(shè)備條件，LED光源相關(guān)教學(xué)內(nèi)容比較抽象，不容易理解。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，用TracePro軟件設(shè)計(jì)LED器件的模型，進(jìn)行相關(guān)光學(xué)參數(shù)設(shè)置，光線仿真計(jì)算，轉(zhuǎn)化為出光效果圖，能夠使學(xué)生更好地理解LED的參數(shù)性質(zhì)及工作原理。通過(guò)4個(gè)實(shí)例分析中，LED的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方法設(shè)計(jì)、光參數(shù)設(shè)計(jì)、光色度參數(shù)的實(shí)現(xiàn)都很直觀。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐證明，在LED技術(shù)教學(xué)中采用TracePro軟件仿真教學(xué)能夠輔助教師更好地教學(xué)，提高學(xué)生的理解能力和學(xué)習(xí)興趣，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，提高教學(xué)效果。