基于TracePro的白光pc-LEDs照明特性仿真實驗的設計

饒海波

（電子科技大學光電科學與工程學院，成都610054）

0 引 言

經過近十多年的高速增長，白色發光二極管（White Light-emitting Diodes，LED）已經確立了在照明產業中的主導地位，2018年，我國半導體照明行業整體產值達到7 640億元［1-2］，現有白色LED照明技術方案中，以藍色LED芯片結合黃色熒光粉轉換發光二極管（phosphor-converted light-emitting diodes，pc-LEDs）最簡單易行，相關研究和開發應用最早、也最廣泛［3-4］，特別是隨著近年來藍色LED芯片光效的迅速提升，目前先進的商業產品已經達到150 lm／W的水平，美國能源部（Department of Energy，DOE）的SSL 計劃報告預計其長期目標（光效潛能）將能達到255 lm／W［5］。

我國是全球半導體照明產品的產業大國，特別是在白光LED封裝環節，目前全世界年銷售75億美元產品中的75%都是中國公司生產的［6］。

全球半導體照明產業的快速發展和激烈競爭對人才培養和技術進步提出了更加迫切的要求，半導體照明技術相關實驗項目的建設，既契合國家當前產業發展需求和重點扶植方向，又能為學生提供接觸行業先進產業技術和科研技術前沿的機會，為國家LED照明技術和產業未來長期發展培養和儲備人才［7-8］，同時又能為本校新設置專業《光源與照明》的實踐課程體系建設提供支撐，因而意義明確。

本項目建設的目標在于，以TracePro軟件為平臺，建立白光pc-LEDs的封裝技術仿真實驗系統，學生通過白光LED器件的光路仿真，對白光LED照明器件的原理、結構和性能獲得全面深入的理解和掌握，進而提升對專業的認知。

1 方案設計

TracePro是一套普遍用于照明系統、光學分析、輻射度分析及光度分析的光線模擬軟件，能夠定義和跟蹤數百萬條光線，實現圖形顯示、可視化操作以及提供3D實體模型的數據庫，在光學系統特別是LED照明器件的模擬設計中獲得了廣泛的應用［9-11］，同時其簡便易學的使用特點，使其在光學相關的實驗教學中獲得了積極的推廣［12-15］，本實驗的仿真器件結構采用了目前白光LED照明技術中應用最為廣泛的技術方案-藍色LED芯片激發黃色熒光粉的pc-LEDs。應用TracePro軟件建立白光pc-LEDs仿真模型，通過編輯光源（藍光LED芯片）和黃色熒光粉光譜參數，利用光線追蹤功能進行藍、黃光的光路傳輸模擬，就能在設定的接收檢測表面上獲得相應的仿真結果-照度圖。在本專業的實驗教學建設中，采用了虛、實結合的實踐教學方案，利用前期白光LED器件封裝實驗中已經獲得的pc-LEDs燈珠的實際結構和光譜參數，來進行仿真模型參數的優化，得到更接近實際器件性能的仿真結果。

2 白光pc-LEDs的仿真流程

創建一個實體模型（Creating a Solid Model）；定義材料和表面的屬性（Defining Properties）；應用屬性（Applying Properties）；追跡光線（Raytracing）；分析（Analysis）。

整個仿真實驗過程如圖1的流程圖所示。

具體涉及如下主要環節：

（1）建立模型。雙擊Tracepro圖標進入軟件主界面，選擇Insert（插入菜單）的Primitive Solid，順序進行基板、光源、熒光粉層、接收檢測表面幾何尺寸的設置，基板（5 mm×5 mm×0.5 mm）設置頁面如圖2所示。

圖1 仿真過程流程圖

圖2 基板參數設置對話框

（2）LED光源（藍色芯片）的設定。點擊芯片選項，選擇下拉菜單中的surface 0，設定芯片的Surface0為發光面，鼠標右鍵點擊surface 0，在菜單中選擇Properties（屬性），發射形式設為光通量，單位選擇光度學，場角分布選擇朗伯分布，光線為所有光線，定義適當的光通量和總光線數，如圖3所示。

其中藍色LED芯片的發光波長及其權重可以調整，以達到盡可能反映真實器件的效果。

（3）編輯熒光粉性質。在Utilities（工具程式）菜單中選擇Fluorescence Property Generator會出現圖4所示的插件，選擇新建目錄，建立熒光粉特性文檔。

圖4中的激發特性中，熒光份的轉換效率（Conversion Efficiency）、摩爾最高消光系數（吸收系數）、摩爾濃度等參數的設置往往需要依據實際器件的相關數據進行優化。

在Utilities（編輯屬性數據）菜單中選擇Fluorescence Property Generator（熒光屬性）選項，選擇發光波段分布及相應波長個數，都應該以實驗測試數據為依據，達到對器件真實仿真的效果。

（4）建立接收檢測表面。在insert菜單中點擊擋光板，選擇表面surface1，鼠標右鍵點擊Properties，一般設置表面為Perfect Absorber（完全吸收），以降低受光面本身光反射、散射對光源空間光分布造成的影響。

圖3 光源（藍色LED芯片）參數設置對話框

圖4 熒光材料編輯器頁面

（5）光線追跡。點擊光線追跡（R，retracing）菜單，確定光線追跡選項，analysis單位一般選擇幅度學，對于pc-LEDs器件，點選“熒光設定”，實現光源到熒光粉的藍黃光轉換，達到模擬白光產生的效果。

（6）結果與分析。選擇擋光板Surface1（觀察表面），點擊Analysis（分析）菜單，進行Illuminance Options（照度選項）的設定，可以在照度圖中獲得各個區域的真實色彩圖像，并CIE色度圖上獲得相應區域的色溫值。

點擊Analysis中的Candela Options選項，設定光強分析的區間大小和數目，獲得相應的配光曲線。

3 參數優化及仿真結果

要達到器件性能仿真的效果，在觀察面（擋光板）上實現真正的白光模擬，器件模型參數設置顯得尤其重要，實驗中虛、實結合，通過擬合實測的白光LED燈珠光譜，進行芯片和熒光粉的發光光譜參數的合理設置。

3.1 芯片發光光譜的設置

參考白光pc-LEDs燈珠的光譜實測數據，藍光LED芯片的發光光譜設置如圖5所示（其中，藍光光線總數取為10 000條）。這樣的藍光參數設置在光譜分布上基本還原了一個以0.45 μm為主峰、半波峰寬（FWHM）為20 nm的藍光LED芯片的典型值。

3.2 熒光粉參數的設置

熒光粉屬性編輯頁面，根據常規的文獻數據，設置轉換效率為80，摩爾最高消光系數為13 000，摩爾濃度由實驗中典型的粉膠比數據計算而得到（0.563 mmol／m3）。

根據測試獲得的YAG：Ce3＋黃色熒光粉的發光光譜，選擇熒光粉發光的波段分布如圖6所示，波段數的多少對應于相應波段熒光強度，由于所選的黃色熒光粉光譜的主要成份集中在0.54～0.59 μm之間，因此主要的波段數設置在這個區間，同時考慮光譜中藍綠光的存在，因而在0.48～0.54 μm 波段也設置了一定的波段數，整體光譜的設置就是對YAG：Ce3＋熒光粉發光光譜的一種擬合。

圖5 芯片發光光譜設置

圖6 熒光粉波段數的設置

3.3 仿真結果與討論

通過擬合實測白光pc-LEDs燈珠的光譜分布，在Tracepro中設置好相關的芯片和熒光粉參數，點擊光線追跡，在選擇的輻照面（擋光板Surface1）上就能得到如圖7所示的照度圖，其中右圖的（x，y）為表征色彩的1931CIE色坐標值。

圖7 輻照度和色度圖

左側的照度圖中的藍光、黃光、白光分別代表真實色彩，鼠標點在照度圖中的一個區域，右側的CIE圖就會顯示出相應光照區域的色溫。上述結果達到了對實際白光LED器件封裝真實效果的光學模擬。

這說明結合實測數據，通過TracePro軟件完全可以實現對白光pc-LEDs器件照明特性的模擬仿真，同時對藍光LED芯片激發黃色熒光粉的白光工作機理實現了有效的驗證，通過仿真過程，能夠增強學生對基于白光LEDs的半導體照明技術的理解和掌握。

結合實際需求，擬合不同光譜分布的藍光芯片＋熒光粉組合，實現不同色度學、光度學特性的白光器件的仿真設計，對實際器件照明特性（色度、光度）開展有效的模擬計算仿真研究。

4 結 語

在虛擬仿真實驗教學中，運用虛、實結合的方法能夠實現更好的教學效果：關鍵參數的設置擬合實際器件，在模擬結果中能夠較準確地反映真實器件的性能和效果，可通過相關參數的設置、修改，進行不同結構、不同配置的真實器件的有效仿真設計。專業光學仿真設計軟件的引入，為仿真實驗教學提供了高效的計算平臺。借助TracePro軟件模擬了pc-LEDs的白光產生過程，器件的結構、參數、物理原理和實驗現象（結果）都能以圖形化的方式呈現在學生面前。基于TracePro軟件的光學仿真具有良好的可控性以及計算結果的直觀性等特點，學生可以根據對色度學、光度學、白光LEDs器件工作原理和規律的理解和掌握，自行建立實體模型和設置光學參數，設計出滿足不同照明特性要求的白光LEDs器件，并通過實驗步驟的操作，加深對專業學習中相關內容的理解，實現專業能力的鍛煉和提升。