CN102163160A - 可动态模拟led物理发光过程的技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种软件技术，尤其涉及一种可动态模拟LED物理发光过程的技术，包括，增益材料设置模块，微结构设置模块，吸收材料设置模块，FDTD计算模块，光提取分析模块和光束远场角分布分析模块。本发明在传统仿真软件及技术的基础之上综合考虑LED半导体发光材料内部电子空穴的复合以及发光材料和光的能量交换(放大、吸收和激发等)，建立动态的模拟过程，不仅能够模拟LED芯片内部电子空穴复合的核心发光过程，还能够模拟LED发光材料和芯片结构对于光的放大(包括吸收)和反馈过程，以及模拟荧光粉对于出射光的激发过程，利用软件技术进行代码封装并生成多款实用型的软件功能模块，可从根本上提高LED的整体发光效率和光束质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种软件技术，尤其涉及一种可动态模拟LED物理发光过程的技术。
背景技术
发光二极管(以下简称LED)是近年来照明领域的一个非常重要的研究热点，和传统光源相比LED具有光效高、寿命长、节能、环保等优点而受到全世界的重视，如何进一步提高LED的发光效率，更是LED研究与研发最核心的问题。国外对于LED的研究，无论是科研组还是大公司，都经历了漫长的基础物理层面的技术积累，对LED的发光机制和出光特性了解的非常深入，在提高LED发光效率方面掌握了关键性的技术，而且该技术已成功产业化并大范围应用于LED高功率照明领域，带来了巨大的社会效益和市场效益。国内对于LED的研究主要依靠购买国外的LED仿真软件来辅助完成LED的研发和生产，虽然大大缩短了研发周期并且节约成本，但是在关键技术(如LED设计思路和优化方案)上受制于人，这对于我国LED的基础研究和相关产业发展是一个巨大阻碍。
在LED基础研发与器件设计过程中，最核心最关键的问题是如何把半导体发光材料内部电子空穴的复合发光效率不断提高，并且保证LED芯片发出的光能够被最大化的利用，增加光电转化效率，抑制光热转化效率，并且控制光束质量和单色性。国外在LED设计方面有着独特的思路，即先采用LED设计软件进行理论模拟，通过数值实验来确定LED各个参数的最优结果，然后再结合工艺部门的实际加工水平和难易程度，确定可行的LED研发思想和设计方案，并进一步指导工业生产部门进行批量生产。
目前，市面上比较流行的LED设计软件主要有TracePro、Zmax以及FRED等光学器件仿真软件，上述软件技术以光线光学等传统几何光学为理论依据，可对LED的光线传输路径、远场角分布、光场模式、光斑大小和强度等参数进行分析。但是，随着现代光电技术的发展和高功率LED的技术要求，以几何光学为基础的LED设计软件已经不能够满足该领域科研工作者和器件研发人员对于提高LED整体发光效率的要求，尤其是不能够模拟LED芯片内部电子空穴复合的核心发光过程，不能够模拟LED发光材料和芯片结构对于光的放大(包括吸收)和反馈过程，更不能模拟荧光粉对于出射光的激发过程等，而这些都会直接影响LED的整体发光效率。要能够模拟上述真实复杂的物理发光过程，就必须在传统仿真软件及技术的基础之上综合考虑LED半导体发光材料内部电子空穴的复合以及发光材料和光的能量交换(放大、吸收和激发等)，建立动态的模拟过程，从而进一步揭示其的核心工作原理，为LED研发与设计提供更加全面的理论支持与设计思路。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种可动态模拟LED物理发光过程的技术，该技术与已有FDTD(时域有限差分)算法结合，利用软件技术进行代码封装并生成多款实用型的软件功能模块，用于指导LED研发人员的设计思路和优化方案，可从根本上提高LED的整体发光效率和光束质量。
本发明的可动态模拟LED物理发光过程的技术，包括：
增益材料设置模块，反映光和原子体系的能量交换过程，实现对LED内部半导体发光材料电子空穴复合过程的模拟，还可以进一步模拟电子空穴复合所产生的光子与活性材料的受激辐射过程，并将数据送入FDTD计算模块；
微结构设置模块，用于建立LED活性层、发光层、基底以及表面，分析各种复杂微结构对于LED芯片内光场腔模的影响和出射光的角分布特性，并将数据送入FDTD计算模块；
吸收材料设置模块，反映荧光粉对出射光的真实激发和吸收过程，并将数据送入FDTD计算模块；
FDTD计算模块，用于接收增益材料设置模块、微结构设置模块和吸收材料设置模块的数据，并将数据送入光提取分析模块、腔模分析模块和光束远场角分布分析模块中；
光提取分析模块，是指导LED研发人员进行LED设计与分析的重要数据后处理模块；
腔模分析模块，在软件计算过程中，用于查看LED芯片内部光场模式分布，分析芯片内部的光场分布特征了解芯片受热情况；
光束远场角分布分析模块，用于分析LED出射光的光斑大小、发散角、亮度、照度以及远场处不同角度的光场分布情况。
本发明的一种可动态模拟LED物理发光过程的技术，对LED进行模拟与仿真的具体流程如下：
步骤1：启动本发明专利实物软件EastFDTD。
步骤2：根据LED实物器件确定仿真对象，设置边界条件、计算区域大小并合理划分网格。
步骤3：根据网格划分情况判断计算的稳定性条件，该步骤由软件内部判断，若稳定则可以继续进行下一步，若不稳定则需要重置网格属性。
步骤4：利用增益材料模块设置LED芯片内部半导体发光材料的物理参数，包括折射率、吸收率、中心频率、碰撞频率、增益系数以及饱和系数等。
步骤5：利用微结构模块设置LED芯片内部各层的位置和几何结构，包括金属电极层、活性层、发光层、玻璃基底层以及表面微结构层。
步骤6：利用吸收材料设置模块设置荧光粉的颗粒大小和分层厚度，设置粉层颗粒之间的离散化程度并定义粉层颗粒的分布函数，拟合荧光粉的吸收以及色散曲线，建立真实的无序荧光粉激发层模型。
步骤7：根据需要研究的问题设置数据后处理，检查上述建模是否正确并启动EastFDTD计算模块进行计算。
步骤8：利用光提取分析模块所提供的数据，对LED个方面性能进行数据图像联合分析，包括分析光提取效率，腔膜式以及光场远场角分布，该数据可以用多种数据处理软件直接打开。
步骤9：计算完毕，保存优化结构以及计算数据。
本发明的有益效果为：本发明在传统仿真软件及技术的基础之上综合考虑LED半导体发光材料内部电子空穴的复合以及发光材料和光的能量交换(放大、吸收和激发等)，建立动态的模拟过程，不仅能够模拟LED芯片内部电子空穴复合的核心发光过程，还能够模拟LED发光材料和芯片结构对于光的放大(包括吸收)和反馈过程，以及模拟荧光粉对于出射光的激发过程，利用软件技术进行代码封装并生成多款实用型的软件功能模块，用于指导LED研发人员的设计思路和优化方案，可从根本上提高LED的整体发光效率和光束质量。
附图说明
图1是本发明可动态模拟LED物理发光过程的技术的模块结构示意图；
图2是本发明可动态模拟LED物理发光过程的技术对LED进行模拟与仿真的具体流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明可动态模拟LED物理发光过程的技术作进一步说明。
参见图1，本发明的可动态模拟LED物理发光过程的技术，包括增益材料设置模块11，微结构设置模块12，吸收材料设置模块13，FDTD计算模块14，光提取分析模块15，腔模分析模块16和光束远场角分布分析模块17。
增益材料设置模块11提供了一种增益模型gain，该模型考虑了光与物质原子相互作用的内在物理机制，真实反映了光和原子(电子)体系的能量交换过程，不仅可以实现对LED内部半导体发光材料电子空穴复合过程的模拟，还可以进一步模拟电子空穴复合所产生的光子与活性材料的受激辐射过程，该过程还伴随着活性材料对于LED芯片内部光信号的放大和选模作用。
所述微结构设置模块12提供了基本几何结构的建模功能，可用于建立LED活性层、发光层、基底以及表面。该模块支持光子晶体整体操作，可以很方便的设置不同维度不同方向的表面微结构，用来分析各种复杂微结构对于LED芯片内光场腔模的影响和出射光的角分布特性。
所述吸收材料设置模块13提供了模拟LED荧光粉对出射光吸收和激发的功能，荧光粉既是一种发光材料，同时也是一种吸收材料，对于该材料的模拟必须建立完备的色散模型，才能保证对超宽频段范围内的光都能够激发，本发明专利中的吸收材料就是这样的色散模型，并且满足能量守恒，反映了荧光粉对出射光的真实激发和吸收过程。
所述FDTD计算模块14是动态模拟电磁波/光波传播的一种数值计算方法，本专利结合LED的发光特性对传统FDTD计算方法做了部分改进，使之适用于计算如LED等具有小尺寸微结构的有源发光器件内的电磁场分布与传播问题。
所述光提取分析模块15是指导LED研发人员进行LED设计与分析的重要数据后处理模块。LED设计人员利用该专利技术的增益模型、吸收模型可以模拟不同LED芯片内部不同材料的发光过程，不同的材料在不同的结构下，所设计的LED芯片出光效率也是不一样的，该模块综合考虑各种数据参数，直接计算LED的发光效率，尤其是光提取效率，可为研发人员提供最直接的数据支持和理论指导，是本专利技术中的一大特色。
所述腔模分析模块16是在软件计算过程中用于查看LED芯片内部光场模式分布的模块，该模块提供了查看LED芯片内部稳定工作状态的功能，还可以通过分析芯片内部的光场分布特征了解芯片受热情况。
所述光束远场角分布分析模块17是分析LED出射光光束质量和特性的一个功能模块，该模块在传统LED软件中较为常见，主要用于分析LED出射光的光斑大小、发散角、亮度、照度以及远场处不同角度的光场分布情况，该模块从功能上讲更注重LED的最新研发思路与实际应用的结合。
参见图2，本发明可动态模拟LED物理发光过程的技术对LED进行模拟与仿真，具体流程如下：
步骤1：启动本发明专利实物软件EastFDTD。
步骤2：根据LED实物器件确定仿真对象，设置边界条件、计算区域大小并合理划分网格。
步骤3：根据网格划分情况判断计算的稳定性条件，该步骤由软件内部判断，若稳定则可以继续进行下一步，若不稳定则需要重置网格属性。
步骤4：利用增益材料模块11设置LED芯片内部半导体发光材料的物理参数，包括折射率、吸收率、中心频率、碰撞频率、增益系数以及饱和系数等。
步骤5：利用微结构模块12设置LED芯片内部各层的位置和几何结构，包括金属电极层、活性层、发光层、玻璃基底层以及表面微结构层。
步骤6：利用吸收材料设置模块13设置荧光粉的颗粒大小和分层厚度，设置粉层颗粒之间的离散化程度并定义粉层颗粒的分布函数，拟合荧光粉的吸收以及色散曲线，建立真实的无序荧光粉激发层模型。
步骤7：根据需要研究的问题设置数据后处理，检查上述建模是否正确并启动EastFDTD计算模块14进行计算。
步骤8：利用光提取分析模块15所提供的数据，对LED个方面性能进行数据图像联合分析，包括分析光提取效率，腔膜式以及光场远场角分布，该数据可以用多种数据处理软件直接打开。
步骤9：计算完毕，保存优化结构以及计算数据。
本发明在传统仿真软件及技术的基础之上综合考虑LED半导体发光材料内部电子空穴的复合以及发光材料和光的能量交换(放大、吸收和激发等)，建立动态的模拟过程，不仅能够模拟LED芯片内部电子空穴复合的核心发光过程，还能够模拟LED发光材料和芯片结构对于光的放大(包括吸收)和反馈过程，以及模拟荧光粉对于出射光的激发过程，利用软件技术进行代码封装并生成多款实用型的软件功能模块，用于指导LED研发人员的设计思路和优化方案，可从根本上提高LED的整体发光效率和光束质量。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种可动态模拟LED物理发光过程的技术，其特征在于：包括
增益材料设置模块(11)，反映光和原子体系的能量交换过程，实现对LED内部半导体发光材料电子空穴复合过程的模拟，还可以进一步模拟电子空穴复合所产生的光子与活性材料的受激辐射过程，并将数据送入FDTD计算模块(14)；
微结构设置模块(12)，用于建立LED活性层、发光层、基底以及表面，分析各种复杂微结构对于LED芯片内光场腔模的影响和出射光的角分布特性，并将数据送入FDTD计算模块(14)；
吸收材料设置模块(13)，反映荧光粉对出射光的真实激发和吸收过程，并将数据送入FDTD计算模块(14)；
FDTD计算模块(14)，用于接收增益材料设置模块(11)、微结构设置模块(12)和吸收材料设置模块(13)的数据，并将数据送入光提取分析模块(15)、腔模分析模块(16)和光束远场角分布分析模块(17)中；
光提取分析模块(15)，是指导LED研发人员进行LED设计与分析的重要数据后处理模块；
腔模分析模块(16)，在软件计算过程中，用于查看LED芯片内部光场模式分布，分析芯片内部的光场分布特征了解芯片受热情况；
光束远场角分布分析模块(17)，用于分析LED出射光的光斑大小、发散角、亮度、照度以及远场处不同角度的光场分布情况。
2.根据权利要求1所述的可动态模拟LED物理发光过程的技术，其特征在于：对LED进行模拟与仿真，具体流程如下：
步骤1：启动本发明专利实物软件EastFDTD。
步骤2：根据LED实物器件确定仿真对象，设置边界条件、计算区域大小并合理划分网格。
步骤3：根据网格划分情况判断计算的稳定性条件，该步骤由软件内部判断，若稳定则可以继续进行下一步，若不稳定则需要重置网格属性。
步骤4：利用增益材料模块(11)设置LED芯片内部半导体发光材料的物理参数，包括折射率、吸收率、中心频率、碰撞频率、增益系数以及饱和系数等。
步骤5：利用微结构模块(12)设置LED芯片内部各层的位置和几何结构，包括金属电极层、活性层、发光层、玻璃基底层以及表面微结构层。
步骤6：利用吸收材料设置模块(13)设置荧光粉的颗粒大小和分层厚度，设置粉层颗粒之间的离散化程度并定义粉层颗粒的分布函数，拟合荧光粉的吸收以及色散曲线，建立真实的无序荧光粉激发层模型。
步骤7：根据需要研究的问题设置数据后处理，检查上述建模是否正确并启动EastFDTD计算模块(14)进行计算。
步骤8：利用光提取分析模块(15)所提供的数据，对LED个方面性能进行数据图像联合分析，包括分析光提取效率，腔膜式以及光场远场角分布，该数据可以用多种数据处理软件直接打开。
步骤9：计算完毕，保存优化结构以及计算数据。
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| US20080103706A1 (en) * | 2006-10-27 | 2008-05-01 | Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. | System and method for testing leds on a motherboard |
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