基于TracePro的白光pc-LEDs照明特性仿真实验的设计

饶海波

（电子科技大学光电科学与工程学院，成都610054）

0 引 言

经过近十多年的高速增长，白色发光二极管（White Light-emitting Diodes，LED）已经确立了在照明产业中的主导地位，2018年，我国半导体照明行业整体产值达到7 640亿元［1-2］，现有白色LED照明技术方案中，以蓝色LED芯片结合黄色荧光粉转换发光二极管（phosphor-converted light-emitting diodes，pc-LEDs）最简单易行，相关研究和开发应用最早、也最广泛［3-4］，特别是随着近年来蓝色LED芯片光效的迅速提升，目前先进的商业产品已经达到150 lm／W的水平，美国能源部（Department of Energy，DOE）的SSL 计划报告预计其长期目标（光效潜能）将能达到255 lm／W［5］。

我国是全球半导体照明产品的产业大国，特别是在白光LED封装环节，目前全世界年销售75亿美元产品中的75%都是中国公司生产的［6］。

全球半导体照明产业的快速发展和激烈竞争对人才培养和技术进步提出了更加迫切的要求，半导体照明技术相关实验项目的建设，既契合国家当前产业发展需求和重点扶植方向，又能为学生提供接触行业先进产业技术和科研技术前沿的机会，为国家LED照明技术和产业未来长期发展培养和储备人才［7-8］，同时又能为本校新设置专业《光源与照明》的实践课程体系建设提供支撑，因而意义明确。

本项目建设的目标在于，以TracePro软件为平台，建立白光pc-LEDs的封装技术仿真实验系统，学生通过白光LED器件的光路仿真，对白光LED照明器件的原理、结构和性能获得全面深入的理解和掌握，进而提升对专业的认知。

1 方案设计

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，能够定义和跟踪数百万条光线，实现图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库，在光学系统特别是LED照明器件的模拟设计中获得了广泛的应用［9-11］，同时其简便易学的使用特点，使其在光学相关的实验教学中获得了积极的推广［12-15］，本实验的仿真器件结构采用了目前白光LED照明技术中应用最为广泛的技术方案-蓝色LED芯片激发黄色荧光粉的pc-LEDs。应用TracePro软件建立白光pc-LEDs仿真模型，通过编辑光源（蓝光LED芯片）和黄色荧光粉光谱参数，利用光线追踪功能进行蓝、黄光的光路传输模拟，就能在设定的接收检测表面上获得相应的仿真结果-照度图。在本专业的实验教学建设中，采用了虚、实结合的实践教学方案，利用前期白光LED器件封装实验中已经获得的pc-LEDs灯珠的实际结构和光谱参数，来进行仿真模型参数的优化，得到更接近实际器件性能的仿真结果。

2 白光pc-LEDs的仿真流程

创建一个实体模型（Creating a Solid Model）；定义材料和表面的属性（Defining Properties）；应用属性（Applying Properties）；追迹光线（Raytracing）；分析（Analysis）。

整个仿真实验过程如图1的流程图所示。

具体涉及如下主要环节：

（1）建立模型。双击Tracepro图标进入软件主界面，选择Insert（插入菜单）的Primitive Solid，顺序进行基板、光源、荧光粉层、接收检测表面几何尺寸的设置，基板（5 mm×5 mm×0.5 mm）设置页面如图2所示。

图1 仿真过程流程图

图2 基板参数设置对话框

（2）LED光源（蓝色芯片）的设定。点击芯片选项，选择下拉菜单中的surface 0，设定芯片的Surface0为发光面，鼠标右键点击surface 0，在菜单中选择Properties（属性），发射形式设为光通量，单位选择光度学，场角分布选择朗伯分布，光线为所有光线，定义适当的光通量和总光线数，如图3所示。

其中蓝色LED芯片的发光波长及其权重可以调整，以达到尽可能反映真实器件的效果。

（3）编辑荧光粉性质。在Utilities（工具程式）菜单中选择Fluorescence Property Generator会出现图4所示的插件，选择新建目录，建立荧光粉特性文档。

图4中的激发特性中，荧光份的转换效率（Conversion Efficiency）、摩尔最高消光系数（吸收系数）、摩尔浓度等参数的设置往往需要依据实际器件的相关数据进行优化。

在Utilities（编辑属性数据）菜单中选择Fluorescence Property Generator（荧光属性）选项，选择发光波段分布及相应波长个数，都应该以实验测试数据为依据，达到对器件真实仿真的效果。

（4）建立接收检测表面。在insert菜单中点击挡光板，选择表面surface1，鼠标右键点击Properties，一般设置表面为Perfect Absorber（完全吸收），以降低受光面本身光反射、散射对光源空间光分布造成的影响。

图3 光源（蓝色LED芯片）参数设置对话框

图4 荧光材料编辑器页面

（5）光线追迹。点击光线追迹（R，retracing）菜单，确定光线追迹选项，analysis单位一般选择幅度学，对于pc-LEDs器件，点选“荧光设定”，实现光源到荧光粉的蓝黄光转换，达到模拟白光产生的效果。

（6）结果与分析。选择挡光板Surface1（观察表面），点击Analysis（分析）菜单，进行Illuminance Options（照度选项）的设定，可以在照度图中获得各个区域的真实色彩图像，并CIE色度图上获得相应区域的色温值。

点击Analysis中的Candela Options选项，设定光强分析的区间大小和数目，获得相应的配光曲线。

3 参数优化及仿真结果

要达到器件性能仿真的效果，在观察面（挡光板）上实现真正的白光模拟，器件模型参数设置显得尤其重要，实验中虚、实结合，通过拟合实测的白光LED灯珠光谱，进行芯片和荧光粉的发光光谱参数的合理设置。

3.1 芯片发光光谱的设置

参考白光pc-LEDs灯珠的光谱实测数据，蓝光LED芯片的发光光谱设置如图5所示（其中，蓝光光线总数取为10 000条）。这样的蓝光参数设置在光谱分布上基本还原了一个以0.45 μm为主峰、半波峰宽（FWHM）为20 nm的蓝光LED芯片的典型值。

3.2 荧光粉参数的设置

荧光粉属性编辑页面，根据常规的文献数据，设置转换效率为80，摩尔最高消光系数为13 000，摩尔浓度由实验中典型的粉胶比数据计算而得到（0.563 mmol／m3）。

根据测试获得的YAG：Ce3＋黄色荧光粉的发光光谱，选择荧光粉发光的波段分布如图6所示，波段数的多少对应于相应波段荧光强度，由于所选的黄色荧光粉光谱的主要成份集中在0.54～0.59 μm之间，因此主要的波段数设置在这个区间，同时考虑光谱中蓝绿光的存在，因而在0.48～0.54 μm 波段也设置了一定的波段数，整体光谱的设置就是对YAG：Ce3＋荧光粉发光光谱的一种拟合。

图5 芯片发光光谱设置

图6 荧光粉波段数的设置

3.3 仿真结果与讨论

通过拟合实测白光pc-LEDs灯珠的光谱分布，在Tracepro中设置好相关的芯片和荧光粉参数，点击光线追迹，在选择的辐照面（挡光板Surface1）上就能得到如图7所示的照度图，其中右图的（x，y）为表征色彩的1931CIE色坐标值。

图7 辐照度和色度图

左侧的照度图中的蓝光、黄光、白光分别代表真实色彩，鼠标点在照度图中的一个区域，右侧的CIE图就会显示出相应光照区域的色温。上述结果达到了对实际白光LED器件封装真实效果的光学模拟。

这说明结合实测数据，通过TracePro软件完全可以实现对白光pc-LEDs器件照明特性的模拟仿真，同时对蓝光LED芯片激发黄色荧光粉的白光工作机理实现了有效的验证，通过仿真过程，能够增强学生对基于白光LEDs的半导体照明技术的理解和掌握。

结合实际需求，拟合不同光谱分布的蓝光芯片＋荧光粉组合，实现不同色度学、光度学特性的白光器件的仿真设计，对实际器件照明特性（色度、光度）开展有效的模拟计算仿真研究。

4 结 语

在虚拟仿真实验教学中，运用虚、实结合的方法能够实现更好的教学效果：关键参数的设置拟合实际器件，在模拟结果中能够较准确地反映真实器件的性能和效果，可通过相关参数的设置、修改，进行不同结构、不同配置的真实器件的有效仿真设计。专业光学仿真设计软件的引入，为仿真实验教学提供了高效的计算平台。借助TracePro软件模拟了pc-LEDs的白光产生过程，器件的结构、参数、物理原理和实验现象（结果）都能以图形化的方式呈现在学生面前。基于TracePro软件的光学仿真具有良好的可控性以及计算结果的直观性等特点，学生可以根据对色度学、光度学、白光LEDs器件工作原理和规律的理解和掌握，自行建立实体模型和设置光学参数，设计出满足不同照明特性要求的白光LEDs器件，并通过实验步骤的操作，加深对专业学习中相关内容的理解，实现专业能力的锻炼和提升。