[基于ＡＳＡＰ软件的ＬＥＤ光学特性模拟] LED 光学效率

　　文章编号：1006-6268（2008）09-0058-04 　　摘要：介绍了LED的应用及前景，着重阐述了ASAP软件的使用，并根据LED的发光理论利用该软件对LED进行了光学建模，经过光线追迹后，所建模型的光强分布与实际LED 光强分布吻合很好，为二次光学设计打下基础。
　　关键词：发光二极管；ASAP；光学模型；光强分布
　　中图分类号：TN312.8 文献标识码：A
　　
　　Simulation of LED"s Optical Characteristic Base on ASAP
　　YAN Chun-guang1 ，TAN Bai-mei1，YUAN Jing-yu2，NIU Ping-juan3
　　(1.Institute of Microelectronics of Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;
　　2.School of Architeoture & Art Design of Hebei University of Technology, Tianjin 300130,China;3.Information Institute of Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160)
　　Abstract: This paper introduces application and foreground of LED. And how to use the software ASAP are discussed in particular. The LED"s optical structure simulation model based on LED"s radiation theory is developed with the software ASAP. After tracing rays, we can obtain the LED"s luminous intensity distribution curve, which is according with the practical one. So the LED"s model can be used in secondary optical design.
　　Keywords: LED；ASAP； optical model；luminous intensity distribution
　　
　　1LED的应用现状及发展前景
　　
　　LED是一种将电能转换为光能的半导体器件。LED的核心部分是PN结，对于某些材料制成的PN结，当PN结两端加正向电压时，PN结就会发生载流子的复合，同时释放光子进而发光。随着技术的进步，LED的发光效率飞速增长，价格逐渐降低。目前LED已经广泛应用于大面积图文显示全彩屏、状态显示、标识照明、信号灯、背光源显示、汽车组合尾灯头灯及车内照明等方面。尤其是白光LED作为新一代节能环保照明灯而受到青睐，正在逐步取代传统的白炽灯。
　　
　　2LED的光学特征
　　
　　LED光输出一般用其光通量、光强表示。光通量用于描述LED向外辐射可见光能量的大小，光强是用来描述LED发出的光沿空间各个方向的分布，用单位立体角度内的光通量来表示。如果把光强看成发光角度的分布函数，就可以得到LED的光强分布曲线。而在LED应用中，根据LED的光强分布曲线设计出符合照明标准的灯具是至关重要的。
　　
　　3本文的做法
　　
　　由于在很多光学系统设计中会应用到LED，所以在软件中模拟出LED的形状及发光特性，对以后的设计是很重要的。本文就是在ASAP软件中建立一种单色LED的模型，并使它的发光特性符合实际的LED，具体包括构建LED的几何体、模拟其发光芯片、追迹光线、分析结果等。
　　
　　4ASAP的特点及计算内核
　　
　　传统的照明设计一般是通过实测进行的，这种方法虽然比较准确，但在实验上是一种事后估计，不但增加了人力和物力的消耗，而且延长了设计周期。尤其是LED等新型光源的出现，使传统的照明设计方法已经落后。
　　如果能在软件中事先把设计模拟出来，分析其光学特性就可以大大提高设计的速度、准确性和经济效益。ASAP就是事先能分析光学特性的一种软件。ASAP（advanced system analysis progra－mme）是BRO的一种商业化软件，它具有强大的机械仿真功能，模拟几乎所有的三维几何图形。ASAP采用了速度最快的非序列光线追迹引擎，可以在短时间内对数百万条光线进行计算分析，并利用蒙特卡罗法进行光线追迹，让用户在生产前做光学系统的仿真。
　　蒙特卡罗法的基本思想是：为了求解数学、物理、工程技术或生产管理等方面的问题，首先建立已给与求解有关的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值。概率统计是蒙特卡罗方法的理论基础，基本手段是随机变量抽样，该方法对于那些本身具有统计性质的非确定性问题非常有效，可以直接从非确定性问题出发，通过模拟原问题的实际过程而得到问题的答案，而不像常规方法那样先将它转化为确定性问题，再做离散化处理来求解，因而这样可以省去求解过程中不得不引入的许多近似。ASAP利用蒙特卡罗光线追迹的技术做光和机械结构之间的模拟，当光线穿越整个光学系统，光束可以自动分裂为反射、折射、绕射、偏振光及散射，所以ASAP就是根据真实光线在真实世界里的路径做的仿真模拟。
　　
　　5影响LED光学特性的因素及其模拟要点
　　
　　光学建模是设计照明光学系统的通用方法，包括系统的实体建模，以及在实体建模中各个表面光学属性的赋予，模型的精确与否及表面的光学属性对以后光学分析将会产生很大的影响，因此在模型建立过程中要确保模型及表面属性的准确。从LED芯片出来的光，要经过多次反射和折射，最后由透镜射出，其光学模型比较复杂。影响发光二极管的发光特性很多，但是可以把模型抽象，忽略掉次要因素，单个二极管的光强分布主要取决于:芯片的大小和位置；反光碗的形状和尺寸；透镜的大小和折射率等。
　　
　　6ASAP中LED的建模
　　
　　模拟光学系统首先要构建出系统的立体图形，在ASAP中有两种方法可以实现此功能，一是与CAD软件结合使用。在CAD中做好几何模型，输出模型文件，然后把模型文件输入到ASAP中，在输入过程中根据需要可以对各个表面赋予特定的光学属性，如是反射面还是吸收面。另外此时也可以指定反射率及透过率、吸收率等。二是在GUI（guider user interface）直接构建几何体，如果需要可以结合指令来定义几何实体，由于LED的几何结构比较简单，因此可以直接在Bulider中构建几何体。
　　在Bulider中建立一个光学模型一般要以下几个步骤：
　　(1)定义系统设定值（单位和波长）；
　　(2)定义介质（如玻璃）和涂层（折射率、反射率、穿透率）；
　　(3)定义物体几何形状；
　　(4)为每个物体赋予合适的光学属性；
　　(5)证实模型的形状、位置是否与设计值相同。
　　首先，对于长度单位我们选择毫米(mm)，光通量单位为流明（lm），波长单位为纳米（nm）。接下来定义介质和涂层，介质的折射率和涂层的反射率及透过率要根据制作LED的材料来确定。在构造物体的几何形状前，首先要清楚LED的机构及机械尺寸。这些都可以从LED的DataSheet中得到，但是LED里面的芯片、反光碗的形状、尺寸及具体位置我们都无法知道，只能靠估测，然后追迹光线得到该模型的光强分布，并与实际的光强分布作比较，这样反复修改芯片和反光碗的参数，使模拟的光强分布逐渐逼近实际光强分布，直到它们的误差在可接受的范围内。
　　图1是一种LED的外观。
　　
　　图1 LED的实际外观
　　
　　由图1可以看到LED一般是由底座、芯片、反光碗、透镜等构成的。根据DataSheet中的数据，我们在Builder中建立它的模型，底座是由六个面组成的，把六面都建好，然后使用平移把各个面移动到各自的位置，组成底座。当然也可以用两个边缘物体挤压构成长方体，具体指令如图2，由于底座不会和光线作用，所以不用设定其光学属性。
　　
　　图2 两个物体挤压构成底座
　　
　　中间圆柱体的构造比较简单，先定义一条折线后绕轴扫描360°，构成圆柱，也可以用圆筒和圆环构成。为了保证LED的光线只通过上面的透镜出射，因此把此物体的光学属性定为吸收，并且吸收率为100%。
　　LED的最上面是一个树脂透镜，这里所用封装树脂的折射率为1.52（空气的折射率为1.0）。下面是建立LED中的芯片和反光碗，芯片是由衬底、有源层、电极等组成，可以把芯片看做一个长方体，光子离开芯片表面时的出射点是在芯片表面上随机分布的，光子在长方体的六个面均有不同程度的出射，但芯片外围的反光碗会改变从LED芯片表面出射的光子路径，因此可以把六个面的反光特性集中在一个面上，并把这个发光面定义在底座的上方，反光碗在放在芯片的周围，至于大小和位置要根据后面光线分析结果来确定。我们假设反光碗的光学属性是反射，反射率是100%。
　　建立好的模型如图3所示：
　　
　　图3 ASAP中建立的LED模型外观（正视）
　　
　　7 LED配光特性模拟
　　
　　建立光学模型的目的就是得到符合实际LED的光强分布，建立好发光芯片后，定义该发光面出射的光线符合朗伯分布定律，即：
　　I(θ)=I0cosθ
　　其中θ为该方向与平面法向的夹角，I0为法向光强。经过不断的改变模型中LED芯片、反光碗和树脂透镜的相对位置和尺寸，反复追迹光线、观看其出射光线的光强分布，最后我们得到了满意的光学模型。用200，000条光线追迹后其在前方屏幕上的流明分布如图4所示。
　　
　　图4 流明分布
　　
　　(a)模型光强分布
　　
　　(b)实际光强分布（相对分布）
　　图5 光强对比
　　
　　图5是模型的光强分布曲线和LED实际光强分布曲线。
　　对比上面两个光强分布曲线，在20°、40°、60°、80°各点的实际光强值占峰值的比例分别为92%、73%、48%、22%，仿真模型的光强分布在以上几个点处的光强占峰值的比例各为90%、75%、50%、24%。
　　因此仿真模型在一定误差内符合LED实际光强分布。
　　由以上结果可以看出，在ASAP中通过建立LED的模型，并用大量光线的蒙特卡罗追迹结果可以得到光通量、光强等分布曲线。通过改变参数如透镜的焦距、反光碗的焦距和位置、发光芯片的位置等来达到设计要求。
　　
　　6结 语
　　
　　用ASAP光学软件把LED复杂的光学模型简化， 简化后的模型在一定误差内很好的符合了实际LED的外观、构造，及光强、光通量的空间分布，为接下来的照明设计提供的很大的方便。
　　
　　参考文献
　　[1]王乐.关于LED应用于照明的研究和设计[D].浙江大学研究生论文,2005,01.
　　[2]夏季军，江仁杰.半导体发光二极管（LED）的应用及发展前途[J].湖南农机.2007,(5):11-12.
　　[3]颜峻，王素彬，于映.用蒙特卡罗方法模拟LED光源分布[J].福州大学学报（自然科学版）,2003,31(4),413-416.
　　[4]胡海蕾.LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究[D].福建师范大学硕士学位论文.2005 05.
　　[5]陈明祥，罗小兵，马泽涛，刘胜.大功率白光LED封装设计与研究进展[J].半导体光电.2006,27(6): 653-658.
　　[6]安连生，王自强.照明光学系统的CAD[J].灯与照明,1999,23(6):29-31.
　　[7]陈波，余彬海.大功率LED封装结构的仿真设计[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2006,24(1):29-31.省略。