TracePro软件在“LED技术”教学中的应用＊

刘康

（福建省厦门市集美区厦门工学院，福建 厦门 361021）

1 引言

“LED技术”是指用发光二极管作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著优点，是近来全球最具发展前景的高新技术领域之一，也是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命[1]。将“LED技术”作为光信息科学与技术（光电）专业的本科生开设的一门专业课程，旨在向学生教授半导体照明材料、LED器件、灯具及照明应用技术，了解国内外该领域的科技进步和最新科技成果，深入半导体照明研发和产业发展方向，为今后从事光信息技术科研及开发工作打下良好的专业基础。然而在教学中对LED光色度参数部分内容上显得比较抽象，讲解比较生涩，光从头脑中去想像比较困难，不但增加了教师的教学难度，也增加了学生的学习难度。笔者通过教学实践，利用TracePro软件仿真技术，设计多种LED光学仿真实验，取得较好的教学效果。

2 TracePro仿真软件简介

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学模拟软件，精准模拟光学模型的表面效果，如光线吸收、反射、散射和透射等，在开模前迅速地确认设计并进行优化[2]。

TracePro直观的软件界面，还可通过CAD导入/导出，加上互动式优化设计、分析报表等整合功能，能轻易解决各种光学设计上的问题，将光学照明或结构设计的概念与实物做一完整呈现，使光学仿真程度更趋于完美，大幅减低开模的花费并缩短研发时程。且软件学习操作较简单，只需分5步完成：①建立几何模型；②设置光学材质；③定义光源参数；④进行光线追迹；⑤分析模拟结果。这在教学过程中有利于学生在较短的时间内迅速上手操作，在没有硬件条件投入的情况下，学生对LED技术的认知比单纯学习课本知识更容易接受，且增加了一项软件操作技能。

3 LED的光色参数

LED译为发光二极管，是一种将电能转化为光能的电子器件，具有二极管的特性，其核心部分是半导体组成的晶片。常测量及研究的光色参数主要包括光通量、发光强度、照度、亮度、峰值波长和相关色温等[3]。光通量指光源单位时间内发出的光量，单位为流明（lm）。发光强度是光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量，单位为坎德拉（cd）。照度是单位受光面积上所接收的光通量，单们为勒克斯（lx）。亮度是垂直于传播方向单位面积上的发光强度，单位为尼特（nt）。峰值波长是光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长，单位为纳米（nm）。相关色温是光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近时的黑体温度，单位为开尔文（K）。这些抽象的理论概念通过TracePro软件进行LED仿真，可设置或获取相应的这些光色参数，使学生更好地掌握及应用。

4 基于TracePro软件的LED技术仿真实验

LED从发光颜色可分成单色LED和白光LED，随着LED高亮度化和多色化的进展，应用领域也不断扩展，从指示灯到照明领域的各种应用。在实验教学软件仿真中，将从LED基础到应用进行模拟设计。

4.1 单色LED在TracePro软件中的模拟

普通单色LED具有体积小、工作电压低、工作电流小、发光均匀稳定、响应速度快、寿命长等优点，可用各种直流、交流、脉冲等电源驱动点亮。其发光颜色与发光的波长有关，光色几乎覆盖太阳光谱。单色光的波长往往指的就是峰值波长。红光LED的波长一般为615～650 nm，橙光LED的波长一般为600～610 nm，黄绿光LED的波长一般为565～575 nm，绿光LED的波长一般为495～530 nm，蓝光LED的波长一般为450～480 nm，紫光LED的波长为370～410 nm。通过Tracepro软件可模拟单色LED的出光效果。首先建立LED几何模型，然后设置光学材质，定义光源参数，进行光线追迹，最终获得出光图[4]。

比如以蓝光LED为例，几何模型如图1（a）所示，定义光源参数时设置为蓝光的出射波长450 nm。出光全彩如图1（b）所示，可以清晰地看出蓝光颜色。图1（c）展示了直角坐标系坎德拉图，可看出发光角度及各个角度上的发光强度。图1（d）极坐标坎德拉图也可称为配光曲线，展示的光源出光形状。图1（e）、（f）从发光强度和照度上展示了平面上光源光斑效果。从这些图形中，学生可直观地去理解LED的光参数，降低了学习难度。

图1 蓝光LED效果图

4.2 白光LED在TracePro软件中的模拟

与传统白炽灯和荧光灯相比，白光LED具有高光效、开关反应快等优势。目前实现白光LED的主要有3种方法：①采用蓝光芯片激发黄色荧光粉；②采用三基色RBG芯片混色合成；③采用紫外光激发RGB荧光粉[5-6]。通过TracePro软件模拟白光LED的出光效果，自行选择产生白光的方法。比如选取三基色（红绿蓝）混合产生白光的方法，模型建立及光参数选取红光波段620～660 nm，绿光波段520～550 nm，蓝光波段445～465 nm。模拟效果CIE图可展示出光颜色及相关色温，如图2所示。学生可通过设计其他产生白光的方法，进一步理解如何实现白光LED和色温的概念。

图2 光源CIE图

4.3 LED手电筒在TracePro软件中的模拟

LED具有高亮度、低功耗、寿命长、尺寸小等特点，所以是随身照明的理想选择，而手电筒是一种最简易的手持式电子照明设备。常见的LED手电筒有小巧的钥匙扣型、多灯头型、单灯头大功率型等。小巧型LED手电筒在城市中用于临时应急照明或夜间看物等并非长时间使用的情况下，还是有一定的实用价值。用TracePro软件自行设计一款简易的LED手电筒，主要由反光杯、透镜、LED和手柄构成，LED手电筒几何模型如图3所示。出光效果如图4所示，可以看出聚光角度较小，学生可对此类LED手电筒进行优化，提高聚光效果，或者设计其他类型的手电筒进行对比。

图3 LED手电筒几何模型

图4 LED手电筒直角坐标坎德拉图

4.4 LED阵列在TracePro软件中的模拟

现阶段用于半导体照明光学系统采用的大功率LED光源一般为单颗1 W，其光通量为100 lm左右。虽然效率比传统光源高了很多，但如果要用于照明系统，需要多颗LED光源才能满足光通量的要求。因此，目前在采用LED作为光源的照明光学系统中，一般都是将多个LED以一定的形状阵列排布，将多个LED的光线在照明目标面上叠加加以得到光照度均匀分布。根据照明灯具的光输出特性和应用场合，将多颗LED组合在一起，有多种排列方式，如线性排列、平面排列、曲面排列、立体排列等。用TracePro软件自行设计一款简易的LED阵列排布进行建模仿真，如图5所示。学生可观看并分析单个LED光源发光效果与阵列排布LED光源有何区别，如图6所示，以及设计不同排列方式的阵列，对比出光效果。

图5 LED阵列几何模型

图6 LED阵列直角坐标坎德拉图

5 结论

LED技术是第四代照明光源技术，在实际教学中，如果缺乏硬件设备条件，LED光源相关教学内容比较抽象，不容易理解。通过计算机仿真技术，用TracePro软件设计LED器件的模型，进行相关光学参数设置，光线仿真计算，转化为出光效果图，能够使学生更好地理解LED的参数性质及工作原理。通过4个实例分析中，LED的结构设计、方法设计、光参数设计、光色度参数的实现都很直观。通过教学实践证明，在LED技术教学中采用TracePro软件仿真教学能够辅助教师更好地教学，提高学生的理解能力和学习兴趣，使理论与实践相结合，提高教学效果。