TracePro在LED模擬中的應用

紀誕磊 曾令軍 程 波 吳平輝

（湖州師范學院理學院 浙江 湖州 313000）

0 引言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種新型固態冷光源，具有結構簡單，壽命長，體積小，耗能少，顯色性好，響應時間快，抗震性能好等優點[1]。因此，它在現代光電顯示與照明中有著廣泛的應用和良好的發展前景，例如建筑物照明，街道照明，景觀照明，標志牌，信號燈以及住宅內的照明等。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實中的各種照明需求。鑒于此，如何將LED芯片發出的光盡可能的引出并滿足實際需要成為一個關鍵問題，這就需要對LED進行模擬設計。

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。相比傳統的設計模擬軟件，TracePro具有建立逼真的實體模型，優秀的光學分析功能，強大的資料轉換能力及簡易的圖形使用界面等特點，極大的節約了人力資源，縮短設計周期[2-4]。因此，TracePro在LED模擬設計中有重要作用。本文以西門子LWT676LED為例，介紹TracePro在LED模擬中的應用。

1 模擬設計過程

TracePro用于照明設計的一般流程如圖1所示。

圖1 模擬設計流程圖Fig.1 Simulation Design Flow Chart

這里所模擬的西門子LWT676LED的模型參數如圖2所示。

圖2 模型參數Fig.2 Model Parameter Diagram

圖3 西門子LWT676實體模塊Fig.3 Siemens LWT676 Entity Module

西門子LWT676LED主要由外殼、圓錐反射器、擴散器和LED芯片組合而成。在TracePro中分別建立各部分的實體模型。首先建立外殼：選擇一塊長度為3.00mm，寬度為3.4mm的薄板表面進行拉伸填充，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，插入一個上下底半徑分別為1.2mm、0.65mm，長度為0.9mm的圓錐體，建立完成后與外殼進行布林相減運算，定義圓錐體內表面屬性為鏡面反射。然后構建擴散器：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散器模板，表面定義為散射。最后是建立LED芯片：建立一塊發光面積為0.4mm×0.4mm，厚度為0.15mm的方塊作為LED芯片。至此，LED模型建立完畢，如圖3所示。

編輯并應用擴散器的內表面屬性。首先，選擇添加屬性，屬性名為朗伯擴散器（Lambertian Diffuser）。 其次，選擇散射模型（Surface Model）為ABg，設置吸收系數，在求解（Solve for）的下拉菜單中選擇BTDF運算，并保存屬性。將擴散器內表面應用朗伯擴散器屬性（Lambertian Diffuser），將圓錐孔的側面和底面屬性均設置為理想鏡面（Perfect Mirror）。

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

圖4 光線追跡圖Fig.4 Raytrace Diagram

2 結果分析與討論

選擇擴散器的外表面作為參考面，進行光照度分析選項設置，獲得相應的光照圖如圖5所示。

LED光源的空間光強分布和發光角度是一個重要參數，因為有必要分析其坎德拉圖。在設置坎德拉圖選項的基礎上即可獲得圖6所示的坎德拉分布圖。將其與實驗測試結果進行對比，發現兩者基本一致，這驗證了上述模擬仿真結果的準確性。

圖5 光照度圖Fig.5 Irradiance Diagram

圖6 坎德拉圖Fig.6 Candela Plot Diagram

3 結論

本文以TracePro對西門子LWT676LED光源的模擬為例，介紹了TracePro在LED模擬中的應用。

［1］張鑒,楊明武,胡智文.LED環氧樹脂封裝的光學設計與模擬[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2008,31(10):1695-1698.

［2］朱焯煒,蘇宙平,闕立志.基于TracePro的LED透反式準直器設計與仿真[J].實驗室研究與探索,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設計高功率 LED[J].儀器儀表學報,2007,28(8):967-970.