用TracePro设计高功率LED

用T racePro设计高功率L ED
钱雯磊,李　筠,陈晓荣,戴曙光,陈祥熙
(上海理工大学光学与电子信息工程学院　上海　200093)
摘　要:提出一种简化的高功率L ED仿真模型,采用圆锥面作为反光碗,增加平凸透镜汇聚光线,用3D仿真软件TracePro 建立模型,追迹L ED发光面发出的光线并检验设计效果。

仿真结果表明,该简化模型具有一定的可行性,并验证了实际应用中采用锥形反光碗的合理性。

关键词:高功率L ED;简化模型;TracePro
Designing of High2Pow er L ED using T racePro
Qian Wenlei,Li J un,Chen Xiaorong,Dai Shuguang,Chen Xiangxi (College of O ptics and Elect ronics,Universit y of S hanghai f or S cience and Techno log y,S hanghai200093,China)
Abstract:In t his paper,a simplified High2power L ED simulation model is described,in which t he taper is used as reflector,and plane2convex lens is added for beam2focusing.The3D simulation model by t he software TracePro is built and the rays emitted from L ED are traced to verify t he effect.It is shown by simulation result t hat t he simpli2 fied model used taper as reflector is feasible and practical.
K ey w ords:high2power L EDS;implified model;TracePro
1　引 言
发光二极管(L ED),作为一种电致发光器件,已经有较悠久的应用历史。

它寿命长、功耗低、污染少,通常用作电源指示灯、交通信号灯、城市景观灯等。

近年来,随着“十一五”建设资源集约型城市的规划,L ED 这种新型冷光源有着逐步替代传统照明光源的趋势。

目前,高功率L ED,或称高亮度L ED发展迅速,在车灯照明领域,已有L ED尾灯、头灯、仪表盘照明灯等应用;而在普通照明领域,L ED台灯、L ED草坪灯等也极大得丰富了照明灯的选择范围。

据相关资料报道:高功率L ED的最高发光亮度已经达到100lm/w,并且亮度的提高速度每18-24个月翻一番。

由此看来,研究如何提高L ED的发光效率有着极其重要的意义。

提高L ED发光效率有两种途径:一是从L ED的发光芯片入手,通过扩大单颗L ED晶体的发光表面积或者将若干颗L ED晶体封装成一个整体的方法,提高L ED本身的发光能力;二是从L ED的结构设计角度入手,即二次光学设计,通过设计L ED的反光碗位置、形状,增加透镜等手段,提高L ED的光能利用率。

本文主要从后者讲述高功率L ED的设计。

2　设计方法
2.1　简化LED模型的简单分析
高功率L ED的基本组成结构主要包括:支架、引脚、金线、衬底(粘合剂)、发光芯片、反光碗、透镜等几部分,如图1
所示。

图1　高功率L ED封装结构示意图
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各部分的主要作用如下:
支架:固定芯片与金属引脚的相对位置;引脚:起导线作用;
金线:连接发光芯片和电源负端,构建发光芯片中电子空穴对复合所需要的电场;
衬底(粘合剂):主要起电气绝缘的作用
;
图2　
半球体模型的光强分布图
图3　
锥体模型的光强分布图
图4　抛物面模型的光强分布图
发光芯片:一种在外加电场作用下能产生电子空穴对的半导体材料,俗称PN 结;
反光碗:将发光芯片(PN 结)发射的光线反射;透镜:将经反光碗反射的光线会聚后出射;
从作用上分析,设计时可适当简化模型。

因设计主要看L ED 的模型结构是否符合出射光配光要求,故可忽略底座、引脚、金属引线、衬底这几部分,而着重发光芯片尺寸、反光碗形状位置及透镜设计。

2.2　反光碗形状位置设计
由于L ED 发光芯片符合朗伯体出射规律,出射角度从0°-140°,所以若不采用反光碗减小出射光线的角度,必然造成光能量的巨大浪费,难以实现高功率。

反光碗的形状可以采用锥体、半球体或抛物体。

一般世面上常见的L ED 反光碗为锥体形状。

用Tra 2cePro 软件仿真以上三种情况,结果如图2-图4,由图可得表1的主要参数情况比较,结果表明:保持发光芯片、反光碗出口位置不变,只改变反光碗形状,锥体反光碗在减小光出射角度、提高中心光强及光能利用率上效果最为显著,故本设计采用锥体反光碗。

表1　半球体、锥体、抛物面反光碗仿真结果主要参数比较
半球体(图2)锥体(图3)
抛物面(图4)
中心光强Imax
(cd )
16.32320.33918.743总效率(%)
95.143
95.163
95.133
半值角(°
)≈18≈17≈18
2.3　透镜设计
L ED 透镜基本形状为平凸透镜,主要考虑凸面不
同曲率半径对光线的不同会聚作用。

调整透镜曲率半
径大于、等于、小于底面半径三种情况,结果如图5-图7,得到主要参数情况比较见表2。

仿真结果表明:当透镜凸面曲率半径等于底面半径时,光线有效率最高,半值角约14°;当透镜凸面曲率半径小于底面半径时,半值角约11°,但边缘光线散射较大。

实际应用时可根据不同半值角和光能量的需要选择不同透镜半径。

因高功率L ED 需要光线尽可能多的集中在有效角度以内,故本设计采用两者相等的半径。

表2　不同曲率半径仿真结果主要参数比较透镜曲率半径与底面半径关系><=中心光强Imax (cd )
15.1824.98128.838总效率(%)
89.323
91.415
93.839
半值角(o )≈22≈11≈14
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图5　
透镜曲率半径大于底面半径
图6　
透镜曲率半径小于底面半径
图7　透镜曲率半径等于低面半径
3　高功率LED 的仿真过程
为了检验所设计的L ED 是否满足配光要求,最直接的方法就是进行配光的试验。

以前的设计方法是依靠个人的经验和大量的试验,不但跟不上设计需求
的速度,而且浪费大量财力、物力和人力。

现借助光学软件TracePro 对所设计的L ED 进行仿真,以快速开发出满足要求的结构。

高功率L ED 光学仿真的基本步骤包括:
(1)建立L ED 三维模型,以Φ3mm 高功率模型为
例,发光芯片为0.3530.3530.1的立方体,反光碗为圆锥面,透镜为r =1.5的半球体;
(2)设置发光芯片的光源表面属性,增加光源特
性,本设计设置L ED 出射角度符合Lambertian 规律;
(3)定义各种表面和材料特性数据,并且赋予系
统中的几何模型,本设计将L ED 的镜头材料定义为
PMMA ;
(4)定义光源追踪特性,包括波长、阈值和传播特
性,然后开始光线追踪,本设计将光波长定义为单色光,其余采用默认设置;
(5)对所追踪的光线进行分析,包括照度分布、光
强分布等,比较仿真结果与要求的差距,对不满足要求的地方进行结构的修正,直到满足设计要求。

4　仿真结果及比较分析
按照上述步骤建立高功率L ED 模型,光源出射光线条数50000条,光通量10lm ,追迹光线的仿真结
果,观察测试屏幕的光强分布图(Rectangular Iso Can 2
dela )以及极坐标坎德拉分布图(Polar Candela Distri 2bution ),可以获得各个测试点的光强度值以及总体光
强分布曲线。

图8　某常用高亮度L ED 的光强分布曲线
查询相关L ED 的产品规格说明书,要求其半值角为15°左右,总出光效率达到90%以上。

图8为某一常用高亮度L ED 的配光曲线要求。

最终的仿真结果如图9所示,L ED 总出光效率
93.839%,中心光强28.838cd ,半值角约12°-14°,光
强空间分布均匀,对照图8,基本符合设计要求。

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图9　总体光强分布曲线(Polar Iso Candela Distribution)
5　结 论
借助光线分析软件TracePro设计高功率L ED,仿
真结果表明该简化模型的设计基本符合实际配光曲线
要求,验证了实际应用中采用锥形反光碗的合理性,且
比较了不同透镜半径对光线的不同影响效果。

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