半导体照明器件虚拟仿真实验教学
半导体照明目前主要以LED照明为主,具有体积小、高效、直流低压、绿色环保、寿命长、显色性高等优点,受到了世界各国的高度关注。美国、日本、韩国、欧洲等国家和地区纷纷制订了自己的“半导体照明计划”,并由政府部门进行强制照明节能推动。我国于2010 年通过的“十二五”开始规划,也把半导体照明产业作为我国未来几年发展的一个重要方向。目前,我国的半导体产业发展迅速,已经成为世界上最大的LED基地及应用市场。
随着我国半导体照明产业的发展,半导体照明技术方面的课程也称为了光电类专业的重要专业课程之一。目前,在半导体照明技术领域主要包括光学设计、散热、驱动电路等方面的关键问题。中心主要在光学设计和散热设计两个方面开展虚拟仿真实验教学,提高学生对于半导体照明器件的认知,以及对于光学设计、散热设计的理解和分析能力。
典型实验:半导体照明器件光学设计
实验设置目标
本实验以非成像光学理论为基础,结合照明光学设计虚拟仿真软,让学生能够从基本理论、结构设计、光学仿真、系统验证等多个层面深入学习,旨在培养LED照明光学设计方面的高端技术人才。
实验课程内容与成效
光学模拟仿真主要利用TracePro、ASAP及Zemax等光学设计(如图1)软件开展虚拟实验教学及研究。这些软件可以做照明系统分析,传统光学分析,辐射度以及光度分析,并提供简单易用的图形接口,所以我们能够轻易的检视模型,建立立体对象,以及设定材料特性,表面性质和光源特性。
对于LED照明器件光学设计,其流程如图2所示。首先建立光学系统的三维模型,然后进行设定光学参数、定义光源,进行光线追迹后,分析结果。如果结果符合设计要求,则输出相应模型;如果不符合,则修改初始模型,进行重新模拟仿真,直至符合要求为止。
①建立模型
3D建模是一项用虚拟物质建立计算机模型的技术,可以实现用真实的物质建模一样的效果。一个3D立体模型被定义为由有限的表面组成。在TracePro中可以采用多种方法来建立3D模型和对模型进行操作:
可从其他3D建模软件(AUTOCAD、Solidworks等)或其他光学软件中导入模型(如图3);
可采用TracePro中直接建立块、柱、锥、球面、薄板等,还可以直接建立常用的光学元 件,如反射镜、透镜、菲涅尔透镜等(如图4);
可通过布尔运算建立复杂模型或采用Sweep和Revolve命令对模型进行修改。
②定义材质
一旦在TracePro里建立了几何体,那么下一步就是给几何体指定光学属性,以确定光线的运动轨迹。应用光学属性的目的就是使几何模型具有实物的特性,当光作用在模型上时,能够根据相应的光学特性产生反射、折射等变化。常用的光学属性主要包括:材料属性、表面属性、体散射属性、渐变折射率属性等等(如图5)。
③定义光源
定义好模型的光学属性后,通过实体进行光线追迹,需先定义光线起始点,有如下几种定义方式:栅格光源(Grid Source)、表面光源(Surface Source)和导入已有光源(File Source)(如图6)。
④光线追迹
TracePro允许选择不同的模式来保存追迹中的光线(如图7)。在分析菜单(Analysis menu)底部选择其中一种模式即可,可以是分析模式(Analysis Mode)或是模拟模式(Simulation Mode)。这可以调和信息的利用量和内存的占用量之间的平衡。分析模式产生更多的光线数据,但同时也占用更多内存容量;而模拟模式产生更少的数据但占用更少的内存,如果选择模拟模式,在追迹前必须指定一个出射表面,以便在追迹完后可以看到照度图。
⑤分析结果
完成光线追迹之后,当进行结果评估时,分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。
Displaying Rays 和 Ray Sorting让你观察数据是否是你期待的结果;
Irradiance Maps, Ray Tables and Polarization Maps 提供每一个表面的模拟结果;
Candela Plots 显示模型中光线数据的角度分配;
Volume Flux Viewer能够观察模型内部的流量分布;
Reports Menu 帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式;
Tools 菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。
在进行LED照明设计中,经常需要使用的是Irradiance Maps(照度分布图)和Candela Plots)(光强分布图)两大分析功能(如图8,图9)。
在对LED照明器件进行光学模拟仿真之后,分析其照度分布、光强分布等特性,并与设计要求进行对比。如果结果不满足设计要求,则对初始模型进行修改,重新模拟仿真,直至符合要求为止。
在得到满足设计要求的光学模型之后,通过3D打印技术结合真空镀膜工艺,制作相应的反射型光学元件(图10),并结合LED光源,组装成相应的灯具,进行光学特性检测。并比较测试结果与模拟仿真结果的异同,从而让学生对LED照明器件光学虚拟仿真手段有更深入的了解和认识。
基于光学设计虚拟仿真实验,学生对《光学设计》、《半导体照明技术》、《照明光学系统设计》等课程的理解更加具体、深入,也对这种理论教学加上虚拟仿真实验验证的教学方式给予了高度的评价。如为期两周的设计类课程-《照明光学系统设计》,就是让学生根据预先设定的题目进行自主设计,利用虚拟仿真设计得到光学系统后,再制作实物验证。这门课程深受学生喜爱,历年的学生评教分数都在4.8分以上(满分5分),并多次获得学院评教前10%的成绩。学生在对该课程给予了这样的评价:“老师采用多样化的教学方法开展教学,善于启发和引导学生”、“通过光学虚拟仿真,体会到了一系列产品优化的过程,收获很大”,“这门课程很有意思,可以设计自己喜欢的东西,设计作品的过程中,学到了很多知识”等等。
图10 采用3D打印技术制作光学元器件(a)3D打印设备(b)、(c)制作出的反射镜
Backlight Module with the Freeform Surface by Applying the Taguchi Method” (SCI收录),“用于直下式LED背光源模组的第二扩散导光板光特性分析” (EI检索),以及“自由曲面底板的LED 光学设计”(EI收录)。申请专利15项,获省级以上奖励3项。
本科生在半导体照明器件光学设计领域的创新实践领域取得了优异的成绩。学生完成了3项中央高校本科生自主选题课程,1项广东省大学生创新项目。发表论文6篇(其中SCI收录2篇),如“Enhance Light Emitting Diode Light Extraction Efficiency by An Optimized Spherical Cap-Shaped Patterned Sapphire Substrate”(SCI收录),“A Design of a
典型实验:半导体照明器件散热设计
实验设置目标
热特性是半导体LED的关键特性。温度上升会影响发光效率,导致出射波长发生变化,内部热应力逐步增加。温升达到一定值还会使封装树脂和荧光粉等材料的物理性能发生变化,从而对LED的可靠性产生影响。求解大功率LED的详细温度场对于大功率LED的热特性分析非常重要。
通过对大功率LED的工作状态进行模拟仿真,学生可以通过具体案例来加深对于半导体照明器件不同散热方式的理解和认识。从热传导、热对流、热辐射三种方式,学习利用该平台设计、处理和分析散热问题。让学生能够掌握半导体照明器件的热分析方法,熟悉LED照明器件的散热结构,并具备对散热结构进行优化设计的能力。
实验课程内容与成效
本实验采用ANSYS软件来进行半导体照明器件的热分析虚拟仿真。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等,是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS作为新颖的有限元分析软件在热分析问题方面具有强大的功能,而且在涉及热学特性的多物理场耦合分析中也具有很好的处理能力。
ANSYS热分析可分为前处理(建立模型)、求解(施加载荷,分析计算、后处理(查看结果)三个过程,具体流程如下(图1,图2)
图2 ANSYS热分析(a)建立模型;(b)划分网格;(c)施加载荷;(d)求解
a)选择单元类型:每一种单元类型都有自己特定的编号和单元类型名,适用不同场合,一般选择Solid70单元;
b)定义材料性能参数:在所有的分析中都要输入材料参数,根据分析问题的物理环境不同而不同;
c)建立几何模型:可以在ANSYS中直接创建模型,也可以导入有关辅助软件制作的模型;
d)定义材料属性:只有对各体进行材料属性的赋予后,才能进行计算分析;
e)划分网格:有限元模型是将几何模型划分为有限个单元,单元间通过节点相连接,在每个单元和节点上求解物理问题的近似;
f)施加载荷并求解:定义分析类型和分析选项后,要加载6大类载荷中的若干种,大部分可以施加到几何模型上,也可以施加到有限元模型上。在执行计算求解后,并将结果数据写入结果文件和数据库中;
g)查看温度分布图。软件的后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
学生通过该平台的运用,对各种半导体照明器件的温度分布进行了模拟仿真(如图3),并利用热成像仪对实际工作状态下的LED器件进行温度分布测量(如图4),来验证模拟仿真。通过模型设计,系统分析和效果评价,使学生对于半导体器件散热技术有了更深的理解,有助于学生对于整个散热知识学习和运用,为进一步半导体器件散热研究打下基础。
基于半导体照明器件散热技术虚拟仿真实验系统,本科生在半导体照明器件散热技术领域的创新实践领域取得了优异的成绩。发表论文4篇,如“去除铝基板的大功率LED热分析”(EI收录),“基于塑料散热器无基板COB封装的LED热分析”(EI收录),以及“大功率LED液冷热沉结构与换热效果研究”(EI收录)等论文。申请专利13项,获省级以上奖励2项。
来源:华南理工大学光电材料与器件虚拟仿真实验教学中心