LED導(dǎo)光板簡(jiǎn)易教程

1、原理概述這一課我們來(lái)學(xué)習(xí)利用tracepro軟件建立LED導(dǎo)光板。首先我們簡(jiǎn)單了解一下導(dǎo)光板的原理。導(dǎo)光板（如圖1-1所示）基本工作原理是在下表面設(shè)置有具有一定排布規(guī)律的微結(jié)構(gòu)陣列，當(dāng)光線從側(cè)面進(jìn)入導(dǎo)光板內(nèi)后，通過(guò)微結(jié)構(gòu)的散射作用，破壞導(dǎo)光板上表面的全反射現(xiàn)象，使光線改變?cè)袔缀喂鈱W(xué)路徑，從上表面射出。為了使光線的均勻出射，必須對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1-1 導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)示意圖選取不同折射率的材料制作導(dǎo)光板時(shí)，材料的折射率決定了光線在導(dǎo)光板內(nèi)的全反射時(shí)的臨界焦，也就是說(shuō)可以對(duì)出射光線的角度進(jìn)行選擇。如圖1-2。圖1-2 導(dǎo)光板內(nèi)光線的傳播由此可知， 大部分耦合進(jìn)導(dǎo)光板的入射光都以全反射的形式向前

2、傳播， 沒(méi)有光線從上表面折射出去。為了讓光線從導(dǎo)光板的上表面射出， 必須在導(dǎo)光板的底面布置散射網(wǎng)點(diǎn)， 破壞光的全反射。現(xiàn)在在進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)都采用非均勻分布。目前比較成熟的網(wǎng)點(diǎn)分布理論有超均勻分布理論，斥力緩和法， 動(dòng)態(tài)分子法， 但這些方法都只停留在理論設(shè)計(jì)方面。具體采用何種方法設(shè)計(jì)網(wǎng)點(diǎn)， 到目前為止還沒(méi)有確切可行的方法， 大部分都是靠光學(xué)模擬軟件進(jìn)行模擬并根據(jù)模擬效果， 調(diào)整網(wǎng)點(diǎn)的間隔以及大小。一般的設(shè)計(jì)原則是靠近光源部分的網(wǎng)點(diǎn)尺寸要小一些， 且稀疏一些； 而遠(yuǎn)離光源的地方網(wǎng)點(diǎn)尺寸大一些， 且要密一些。此外網(wǎng)點(diǎn)的形狀對(duì)出光的均勻效果也會(huì)有一定的影響。而綜上所述易得，網(wǎng)點(diǎn)傾斜角越大反射效果越明顯

3、，網(wǎng)點(diǎn)越密反射效果越明顯。由于模型中光源在兩側(cè)，因而應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)使導(dǎo)光板遠(yuǎn)離光源處的網(wǎng)點(diǎn)尺寸大間距小，靠近光源處的網(wǎng)點(diǎn)尺寸小間距大。考慮到實(shí)際加工及模型模擬方面的問(wèn)題，網(wǎng)點(diǎn)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)處理成等半徑變深度網(wǎng)點(diǎn)，間距設(shè)計(jì)應(yīng)處理成漸變形式。相關(guān)研究表明網(wǎng)點(diǎn)間距變化采用多項(xiàng)式多次方程變化可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，多項(xiàng)式方式是一種較為合理的微結(jié)構(gòu)布局方式，它具有較多的可調(diào)參數(shù)改變這些參數(shù)能夠精確控制導(dǎo)光板表面的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，無(wú)論是表面微結(jié)構(gòu)的整體疏密分布還是疏密的漸變程度都能夠得到精確的調(diào)整，按照多項(xiàng)式方式捧列導(dǎo)光板表面微結(jié)構(gòu)可以使導(dǎo)光板的各項(xiàng)性能達(dá)到最佳值。確定導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)按照多項(xiàng)式方式進(jìn)行排布

4、后需要對(duì)多項(xiàng)式的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，多項(xiàng)式的形式如式(1-2-1)所示： 式1-1其中a、b、c、d、e為可變參數(shù)，通過(guò)調(diào)整其數(shù)值即可改變導(dǎo)光扳表面微結(jié)構(gòu)分布的疏密以及漸變程度等設(shè)計(jì)情況。由現(xiàn)有理論可知在多項(xiàng)式的五個(gè)參數(shù)中，參數(shù)a和參數(shù)c為影響導(dǎo)光板性能的主要參數(shù)，在導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)中起著決定性的作用。參數(shù)b、參數(shù)d和參數(shù)P用于導(dǎo)光板微結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)調(diào)整，其中參數(shù)b主要受到導(dǎo)光板的幾何尺寸等外界客觀因素影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可令b=d=e=0，進(jìn)一步簡(jiǎn)化方程，在達(dá)到性能要求的情況下使設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔高效。建立步驟Tracepro中任何光學(xué)模型的建立步驟都分為以下幾步：建立模型-設(shè)定材質(zhì)-應(yīng)用材質(zhì)-光線追擊-分

5、析改善。1、2、3三步可同時(shí)完成。1. 建立模型模型如下圖所示，主要包括三部分：LED燈條，導(dǎo)光板，觀察板。首先打開(kāi)tracepro，新建文件并保存在指定的目錄下，注意在建立模型時(shí)養(yǎng)成隨時(shí)保存的習(xí)慣，防止出錯(cuò)時(shí)丟失文件。選擇插入-幾何物件-方塊（insert-primitive solid-block）建立一個(gè)導(dǎo)光板主體300*10*300，修改名稱(chēng)，然后點(diǎn)擊插入。選擇視圖-輪廓圖（view-silhouettes）來(lái)看到模型輪廓，由于LED安排在左右兩邊，光從正上方射出，所以要將其他幾個(gè)面設(shè)定為鏡面反射。在左邊樹(shù)狀圖中點(diǎn)開(kāi)導(dǎo)光板，用ctrl鍵同時(shí)選擇2、3、5面（底面，前后面），定義-設(shè)定材

6、質(zhì)（define-apply properties）在表面（surface）下選擇default-完美鏡面（perfect mirror）。應(yīng)用。也可以右鍵2面-屬性調(diào)出此窗口。在正上方創(chuàng)建觀察板，由于只要使用觀察板下表面，故厚度y自定。選擇插入-幾何物件-方塊（insert-primitive solid-block）建立一個(gè)觀察板，修改名稱(chēng)，然后點(diǎn)擊插入。選擇觀察板下表面并將其設(shè)定為完美吸收。在左邊樹(shù)狀圖中點(diǎn)開(kāi)導(dǎo)光板，選擇2面（底面），定義-設(shè)定材質(zhì)（define-apply properties）在表面（surface）下選擇default-完美吸收（perfect absorber）。

7、應(yīng)用。接下來(lái)創(chuàng)建LED，選擇插入-幾何物件-方塊（insert-primitive solid-block）建立一個(gè)LED主體，修改名稱(chēng)，然后點(diǎn)擊插入。建立左右各一個(gè)LED燈條。定義一個(gè)新的LED發(fā)散特性，其數(shù)據(jù)如下：定義-編輯材質(zhì)-表面材質(zhì)（define-edit property data-surface properties）新增特性-輸入名稱(chēng)并確定。這里的波長(zhǎng)我們可簡(jiǎn)化成單色波長(zhǎng)（0.5461是綠光），只是為了模擬方便，并不是非常準(zhǔn)確。大家都學(xué)過(guò)LED是非相干性光源，其波長(zhǎng)并不是單一，通常如下：由于光源亮度是隨角度變化的，故加入各個(gè)角度并設(shè)定正確的值。注意上圖中有個(gè)鎖狀按鈕，如果要修改

8、數(shù)據(jù)必須使他打開(kāi)。然后點(diǎn)擊上圖第三個(gè)按鈕保存。（Question:根據(jù)所學(xué)知識(shí)，以上LED光源發(fā)射角為幾度？）回到主界面，選擇led發(fā)光面并設(shè)定其表面為剛才設(shè)定的光源。在表面光源下設(shè)定如下，注意總光線數(shù)太小會(huì)模擬失真，太大了恐怕電腦無(wú)法承受，通常要200萬(wàn)-500萬(wàn)條為接近真實(shí)，但由于模型復(fù)雜等原因很多電腦無(wú)法達(dá)到要求。Led2操作步驟類(lèi)似，注意兩個(gè)燈條發(fā)光面不同，一個(gè)為右一個(gè)為左。接下來(lái)為模型關(guān)鍵，建立底面網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。定義-編輯材質(zhì)-鱗甲材質(zhì)（define-edit property data-reptile properties）-新增特性。參數(shù)化變化方式，幾何形狀為球形，排列方式為磚格排列

9、。并設(shè)定具體參數(shù)如下，注意右上角為凹陷形式。首先我們?cè)O(shè)定磚格參數(shù)為10、10，使他為固定值觀察效果，之后改變?yōu)閰?shù)化排列使之達(dá)到效果。保存并退回主界面。選擇導(dǎo)光板并設(shè)定其材料為聚甲基丙烯酸甲酯（pmma俗稱(chēng)亞克力）。之后選擇導(dǎo)光板底面，設(shè)定鱗甲。鱗甲圖形如下選擇視圖-顯示鱗甲-網(wǎng)格&邊界（view-display reptiles-reptiles boundary）。光線追跡-光線追跡選項(xiàng)-analysis單位選擇光度學(xué)。光線追跡-開(kāi)始光線追跡，完成后如下圖所示，邊緣的為漏光，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免。選擇觀察板底面（surface 2），分析-輻照度/光照度選項(xiàng)，如下圖設(shè)置。其中NO.

10、of pixels為采點(diǎn)數(shù)量，越高越精確，同學(xué)們可以設(shè)置不同值然后觀看效果。然后選擇分析-輻照度/光照度分析圖，顯示應(yīng)該如下。顏色對(duì)應(yīng)表示光通量大小，我們可以看到模型邊緣處光通量大，中心處光通量小。根據(jù)原理中闡述，應(yīng)該如何改變網(wǎng)點(diǎn)呢？?jī)煞N方法：方法一 改變網(wǎng)點(diǎn)大小，實(shí)際設(shè)計(jì)中通常改變深度而不改變半徑，而深度大小隨網(wǎng)點(diǎn)所在位置與光源距離改變。例如設(shè)計(jì)中間深度為1，逐漸向旁邊降低。其中jCol為tracepro軟件設(shè)定的寬度方向參數(shù)，相當(dāng)于方程中的X。記住要修改參數(shù)要打開(kāi)鎖狀圖標(biāo)。之后保存。重新打開(kāi)導(dǎo)光板底面鱗甲特性并點(diǎn)擊應(yīng)用。重新追擊光線，觀看分析圖?？梢钥匆?jiàn)中心光通量變高。但是還是不太均勻。而

11、我們需要的是均勻的發(fā)射。再根據(jù)原理去調(diào)節(jié)參數(shù)直到達(dá)到效果。方法二，改變網(wǎng)點(diǎn)排列疏密?？拷庠刺幣帕惺柙砉庠刺幣帕忻?。在此我們根據(jù)原理應(yīng)用，簡(jiǎn)化模型令b=d=e=0,a=10,c=0.1。如下圖所示。（x為jCol，千萬(wàn)不要寫(xiě)10+0.1x2），tracepro軟件不認(rèn)可這種形式。同法一，在導(dǎo)光板底面鱗甲特性中確定應(yīng)用，追擊光線，查看效果。在此我們并不能很明確看出光通量分布。因?yàn)槲覀冞x擇了采點(diǎn)數(shù)50光線數(shù)量10000，是一個(gè)比較粗略不精確的值（大家還記得在哪里設(shè)置么），選擇led表面特性使光線達(dá)到100000.應(yīng)用。以同樣的方法設(shè)置led2的發(fā)光面。應(yīng)用后追擊光線。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)，是因?yàn)楣饩€變多計(jì)算量變大了。復(fù)雜的模型下若使用500W條光線追擊，通常PC需要10小時(shí)以上的計(jì)算時(shí)間。選擇觀察板底面（surface 2），分析-輻照度/光照度選項(xiàng)，改變采點(diǎn)數(shù)量NO.of pixels為128。確定后觀察光照度圖