TracePro在LED模拟中的应用

纪诞磊 曾令军 程 波 吴平辉

（湖州师范学院理学院 浙江 湖州 313000）

0 引言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种新型固态冷光源，具有结构简单，寿命长，体积小，耗能少，显色性好，响应时间快，抗震性能好等优点[1]。因此，它在现代光电显示与照明中有着广泛的应用和良好的发展前景，例如建筑物照明，街道照明，景观照明，标志牌，信号灯以及住宅内的照明等。虽然LED芯片本身可以近似为朗伯光源，但这种光源很难满足现实中的各种照明需求。鉴于此，如何将LED芯片发出的光尽可能的引出并满足实际需要成为一个关键问题，这就需要对LED进行模拟设计。

TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。相比传统的设计模拟软件，TracePro具有建立逼真的实体模型，优秀的光学分析功能，强大的资料转换能力及简易的图形使用界面等特点，极大的节约了人力资源，缩短设计周期[2-4]。因此，TracePro在LED模拟设计中有重要作用。本文以西门子LWT676LED为例，介绍TracePro在LED模拟中的应用。

1 模拟设计过程

TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。

图1 模拟设计流程图Fig.1 Simulation Design Flow Chart

这里所模拟的西门子LWT676LED的模型参数如图2所示。

图2 模型参数Fig.2 Model Parameter Diagram

图3 西门子LWT676实体模块Fig.3 Siemens LWT676 Entity Module

西门子LWT676LED主要由外壳、圆锥反射器、扩散器和LED芯片组合而成。在TracePro中分别建立各部分的实体模型。首先建立外壳：选择一块长度为3.00mm，宽度为3.4mm的薄板表面进行拉伸填充，拉伸距离分别为0.9mm、0.2mm、0.9mm，角度分别为 4°、0°、-4°，完成操作后构成外壳。 其次建立圆锥反射器：在YZ视图中距离Z轴1.1mm处，插入一个上下底半径分别为1.2mm、0.65mm，长度为0.9mm的圆锥体，建立完成后与外壳进行布林相减运算，定义圆锥体内表面属性为镜面反射。然后构建扩散器：通过在圆锥反射器出口端插入半径1.2mm，厚度为0.01mm的薄圆柱体作为其扩散器模板，表面定义为散射。最后是建立LED芯片：建立一块发光面积为0.4mm×0.4mm，厚度为0.15mm的方块作为LED芯片。至此，LED模型建立完毕，如图3所示。

编辑并应用扩散器的内表面属性。首先，选择添加属性，属性名为朗伯扩散器（Lambertian Diffuser）。 其次，选择散射模型（Surface Model）为ABg，设置吸收系数，在求解（Solve for）的下拉菜单中选择BTDF运算，并保存属性。将扩散器内表面应用朗伯扩散器属性（Lambertian Diffuser），将圆锥孔的侧面和底面属性均设置为理想镜面（Perfect Mirror）。

完成模拟建立和定义属性之后便开始进行光线追迹。选择LED芯片的上表面作为发光表面，采用朗伯型配光曲线，光线数量为50000条，光波长为0.5461μm，发射形式为光通量（Flux），其强度为0.05lm，完成后进行光线追迹，因其光线数量太多，我们选择光线显示数量为1%，如图4所示。

图4 光线追迹图Fig.4 Raytrace Diagram

2 结果分析与讨论

选择扩散器的外表面作为参考面，进行光照度分析选项设置，获得相应的光照图如图5所示。

LED光源的空间光强分布和发光角度是一个重要参数，因为有必要分析其坎德拉图。在设置坎德拉图选项的基础上即可获得图6所示的坎德拉分布图。将其与实验测试结果进行对比，发现两者基本一致，这验证了上述模拟仿真结果的准确性。

图5 光照度图Fig.5 Irradiance Diagram

图6 坎德拉图Fig.6 Candela Plot Diagram

3 结论

本文以TracePro对西门子LWT676LED光源的模拟为例，介绍了TracePro在LED模拟中的应用。

［1］张鉴,杨明武,胡智文.LED环氧树脂封装的光学设计与模拟[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2008,31(10):1695-1698.

［2］朱焯炜,苏宙平,阙立志.基于TracePro的LED透反式准直器设计与仿真[J].实验室研究与探索,2012,31(1):108-111.

［3］吴中林,吴恒莱,占美琼,陈林,沈涛.40W大功率白光LED光源模块的研制[J].光源与照明,2007,3(1):28-29.

［4］钱雯磊,李筠,陈晓荣,戴曙光,陈祥熙.用 TracePro设计高功率 LED[J].仪器仪表学报,2007,28(8):967-970.