藍光-熒光粉-白光LED的模擬
我們日常所用的白光LED,比如手電筒、電視背光、家用燈具的LED,基本都是用藍光LED激發黃色熒光粉混合形成白光。那這個過程
光學模擬
要怎麼做呢?這是知乎第九篇文章,就來談談怎麼用lighttools模擬白光LED。
先建立一個長寬均為1mm厚度0。3mm的方形片狀體光源,這就是我們的藍色LED的晶片DIE。在光源前面10mm處建立
探測器
,長寬都是5mm,mesh劃分100X100。
藍光LED顧名思義,要發藍色的光,因此我們把光譜設定為藍色,其光譜分佈如下所示:
藍光LED
的光功率預設為1W,設定追跡光線數目為1000萬,進行追跡後,其
光強
分佈以及顏色圖分別如下所示:
建立凹槽,深度1mm,長和寬都是3mm,表面設定為反射,
反射率
設為80%,這個反射槽的目的是為了提升光能利用率,如圖所示:
在槽內建立一個長寬都是2。99mm厚度0。99mm的物體,把
藍光led
包裹在裡面,如下圖紅色部分,這個就是我們的熒光粉層,為了保證熒光粉和藍光DIE充分接觸,需要設定immersion,把藍光DIE浸沒在熒光粉裡面:
現在要對熒光粉層建立熒光材料phosphor,新增particle設定為熒光粉phosphor,會自動帶出來Mie散射,如下設定Mie的引數,包括顆粒密度以及顆粒大佔比:
為了建模方便起見,對phosphor設定為
固定折射率
1。6,在mie散射下面有三個光譜需要我們定義:
excitation spectrum
:說的意思是不同波長藍光的激發效率,表示絕對的轉化效率,由於stokes shift和quantum yield(
量子效率
)的影響,激發效率肯定是小於1的。
emission spectrum:發射光譜的相對分佈,實際光譜會收到激發光的溫度、功率等影響:
absorption spectrum
:吸收光譜,若吸收係數為1表示全部被吸收了,若吸收係數為0表示該光沒有被吸收,一般而言被吸收的光都轉化為了熱。
這些設定好之後,我們跑光線追跡看看效果,由於
熒光粉
單位厚度的激發特性是一定的,因此厚度對激發效果會產生顯著的影響,但厚度不足的時候,明顯出色射光的顏色偏藍,但厚度太大了,出射光的顏色又偏黃了。
但是我們看到所有的結果裡面,顏色都不均勻,這是因為DIE發光角、熒光粉的
Mie散射
影響、反射槽的反射影響,實際上LED在熒光層外面還會加矽膠,矽膠裡面新增擴散粉進行均勻化處理。