Lighttools中模拟白光LED
蓝光-荧光粉-白光LED的模拟
我们日常所用的白光LED,比如手电筒、电视背光、家用灯具的LED,基本都是用蓝光LED激发黄色荧光粉混合形成白光。那这个过程光学仿真要怎么做呢?这是知乎第九篇文章,就来谈谈怎么用lighttools仿真白光LED。
先建立一个长宽均为1mm厚度0.3mm的方形片状体光源,这就是我们的蓝色LED的芯片DIE。在光源前面10mm处建立探测器,长宽都是5mm,mesh划分100X100。
蓝光LED顾名思义,要发蓝色的光,因此我们把光谱设定为蓝色,其光谱分布如下所示:
蓝光LED的光功率默认为1W,设定追迹光线数目为1000万,进行追迹后,其光强分布以及颜色图分别如下所示:
建立凹槽,深度1mm,长和宽都是3mm,表面设定为反射,反射率设为80%,这个反射槽的目的是为了提升光能利用率,如图所示:
在槽内建立一个长宽都是2.99mm厚度0.99mm的物体,把蓝光led包裹在里面,如下图红色部分,这个就是我们的荧光粉层,为了保证荧光粉和蓝光DIE充分接触,需要设置immersion,把蓝光DIE浸没在荧光粉里面:
现在要对荧光粉层建立荧光材料phosphor,添加particle设定为荧光粉phosphor,会自动带出来Mie散射,如下设定Mie的参数,包括颗粒密度以及颗粒大占比:
为了建模方便起见,对phosphor设定为固定折射率1.6,在mie散射下面有三个光谱需要我们定义:
excitation spectrum:说的意思是不同波长蓝光的激发效率,表示绝对的转化效率,由于stokes shift和quantum yield(量子效率)的影响,激发效率肯定是小于1的。
emission spectrum:发射光谱的相对分布,实际光谱会收到激发光的温度、功率等影响:
absorption spectrum:吸收光谱,若吸收系数为1表示全部被吸收了,若吸收系数为0表示该光没有被吸收,一般而言被吸收的光都转化为了热。
这些设定好之后,我们跑光线追迹看看效果,由于荧光粉单位厚度的激发特性是一定的,因此厚度对激发效果会产生显著的影响,但厚度不足的时候,明显出色射光的颜色偏蓝,但厚度太大了,出射光的颜色又偏黄了。
但加粗样式是我们看到所有的结果里面,颜色都不均匀,这是因为DIE发光角、荧光粉的Mie散射影响、反射槽的反射影响,实际上LED在荧光层外面还会加硅胶,硅胶里面添加扩散粉进行均匀化处理。
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