TracePro軟件在“LED技術”教學中的應用＊

劉康

（福建省廈門市集美區廈門工學院，福建 廈門 361021）

1 引言

“LED技術”是指用發光二極管作為光源的照明，具有高效、節能、環保、壽命長、易維護等顯著優點，是近來全球最具發展前景的高新技術領域之一，也是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一場照明光源的革命[1]。將“LED技術”作為光信息科學與技術（光電）專業的本科生開設的一門專業課程，旨在向學生教授半導體照明材料、LED器件、燈具及照明應用技術，了解國內外該領域的科技進步和最新科技成果，深入半導體照明研發和產業發展方向，為今后從事光信息技術科研及開發工作打下良好的專業基礎。然而在教學中對LED光色度參數部分內容上顯得比較抽象，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難度，也增加了學生的學習難度。筆者通過教學實踐，利用TracePro軟件仿真技術，設計多種LED光學仿真實驗，取得較好的教學效果。

2 TracePro仿真軟件簡介

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學模擬軟件，精準模擬光學模型的表面效果，如光線吸收、反射、散射和透射等，在開模前迅速地確認設計并進行優化[2]。

TracePro直觀的軟件界面，還可通過CAD導入/導出，加上互動式優化設計、分析報表等整合功能，能輕易解決各種光學設計上的問題，將光學照明或結構設計的概念與實物做一完整呈現，使光學仿真程度更趨于完美，大幅減低開模的花費并縮短研發時程。且軟件學習操作較簡單，只需分5步完成：①建立幾何模型；②設置光學材質；③定義光源參數；④進行光線追跡；⑤分析模擬結果。這在教學過程中有利于學生在較短的時間內迅速上手操作，在沒有硬件條件投入的情況下，學生對LED技術的認知比單純學習課本知識更容易接受，且增加了一項軟件操作技能。

3 LED的光色參數

LED譯為發光二極管，是一種將電能轉化為光能的電子器件，具有二極管的特性，其核心部分是半導體組成的晶片。常測量及研究的光色參數主要包括光通量、發光強度、照度、亮度、峰值波長和相關色溫等[3]。光通量指光源單位時間內發出的光量，單位為流明（lm）。發光強度是光源在指定方向的單位立體角內發出的光通量，單位為坎德拉（cd）。照度是單位受光面積上所接收的光通量，單們為勒克斯（lx）。亮度是垂直于傳播方向單位面積上的發光強度，單位為尼特（nt）。峰值波長是光譜發光強度或輻射功率最大處所對應的波長，單位為納米（nm）。相關色溫是光源發射的光與黑體在某一溫度下輻射的光顏色最接近時的黑體溫度，單位為開爾文（K）。這些抽象的理論概念通過TracePro軟件進行LED仿真，可設置或獲取相應的這些光色參數，使學生更好地掌握及應用。

4 基于TracePro軟件的LED技術仿真實驗

LED從發光顏色可分成單色LED和白光LED，隨著LED高亮度化和多色化的進展，應用領域也不斷擴展，從指示燈到照明領域的各種應用。在實驗教學軟件仿真中，將從LED基礎到應用進行模擬設計。

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、發光均勻穩定、響應速度快、壽命長等優點，可用各種直流、交流、脈沖等電源驅動點亮。其發光顏色與發光的波長有關，光色幾乎覆蓋太陽光譜。單色光的波長往往指的就是峰值波長。紅光LED的波長一般為615～650 nm，橙光LED的波長一般為600～610 nm，黃綠光LED的波長一般為565～575 nm，綠光LED的波長一般為495～530 nm，藍光LED的波長一般為450～480 nm，紫光LED的波長為370～410 nm。通過Tracepro軟件可模擬單色LED的出光效果。首先建立LED幾何模型，然后設置光學材質，定義光源參數，進行光線追跡，最終獲得出光圖[4]。

比如以藍光LED為例，幾何模型如圖1（a）所示，定義光源參數時設置為藍光的出射波長450 nm。出光全彩如圖1（b）所示，可以清晰地看出藍光顏色。圖1（c）展示了直角坐標系坎德拉圖，可看出發光角度及各個角度上的發光強度。圖1（d）極坐標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）從發光強度和照度上展示了平面上光源光斑效果。從這些圖形中，學生可直觀地去理解LED的光參數，降低了學習難度。

圖1 藍光LED效果圖

4.2 白光LED在TracePro軟件中的模擬

與傳統白熾燈和熒光燈相比，白光LED具有高光效、開關反應快等優勢。目前實現白光LED的主要有3種方法：①采用藍光芯片激發黃色熒光粉；②采用三基色RBG芯片混色合成；③采用紫外光激發RGB熒光粉[5-6]。通過TracePro軟件模擬白光LED的出光效果，自行選擇產生白光的方法。比如選取三基色（紅綠藍）混合產生白光的方法，模型建立及光參數選取紅光波段620～660 nm，綠光波段520～550 nm，藍光波段445～465 nm。模擬效果CIE圖可展示出光顏色及相關色溫，如圖2所示。學生可通過設計其他產生白光的方法，進一步理解如何實現白光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、尺寸小等特點，所以是隨身照明的理想選擇，而手電筒是一種最簡易的手持式電子照明設備。常見的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應急照明或夜間看物等并非長時間使用的情況下，還是有一定的實用價值。用TracePro軟件自行設計一款簡易的LED手電筒，主要由反光杯、透鏡、LED和手柄構成，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，學生可對此類LED手電筒進行優化，提高聚光效果，或者設計其他類型的手電筒進行對比。

圖3 LED手電筒幾何模型

圖4 LED手電筒直角坐標坎德拉圖

4.4 LED陣列在TracePro軟件中的模擬

現階段用于半導體照明光學系統采用的大功率LED光源一般為單顆1 W，其光通量為100 lm左右。雖然效率比傳統光源高了很多，但如果要用于照明系統，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系統中，一般都是將多個LED以一定的形狀陣列排布，將多個LED的光線在照明目標面上疊加加以得到光照度均勻分布。根據照明燈具的光輸出特性和應用場合，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軟件自行設計一款簡易的LED陣列排布進行建模仿真，如圖5所示。學生可觀看并分析單個LED光源發光效果與陣列排布LED光源有何區別，如圖6所示，以及設計不同排列方式的陣列，對比出光效果。

圖5 LED陣列幾何模型

圖6 LED陣列直角坐標坎德拉圖

5 結論

LED技術是第四代照明光源技術，在實際教學中，如果缺乏硬件設備條件，LED光源相關教學內容比較抽象，不容易理解。通過計算機仿真技術，用TracePro軟件設計LED器件的模型，進行相關光學參數設置，光線仿真計算，轉化為出光效果圖，能夠使學生更好地理解LED的參數性質及工作原理。通過4個實例分析中，LED的結構設計、方法設計、光參數設計、光色度參數的實現都很直觀。通過教學實踐證明，在LED技術教學中采用TracePro軟件仿真教學能夠輔助教師更好地教學，提高學生的理解能力和學習興趣，使理論與實踐相結合，提高教學效果。