近年來，人們對LED的出光效率和出光的效果進(jìn)行了大量的研究和改進(jìn)。有研究機(jī)構(gòu)做出了六邊形的LED芯片，實踐中在光學(xué)性能、出光效率和成本上比傳統(tǒng)的LED芯片有較大的優(yōu)勢。因此利用TracePro仿真軟件對不同形狀的LED芯片進(jìn)行模擬，并通過對比驗證仿真結(jié)果的正確性和仿真方法的可行性。仿真結(jié)果表明，六邊形芯片的LED模型在光線扭曲和暗點(diǎn)的問題上比傳統(tǒng)芯片的LED模型得到了明顯的改善，照度均勻性得到明顯的增強(qiáng)，光能的輸出效率上也有一定的提高。對比兩種芯片的LED模型在當(dāng)下比較常見的封裝模式下的光學(xué)性能，結(jié)果表明六邊形芯片的LED模型在光強(qiáng)或均勻度上都要好于正方形芯片的LED模型。

　　近年來LED得到了快速的發(fā)展，人們對環(huán)保節(jié)能的綠色光源給予了更多的研究，高的出光效率和良好的散熱特性是將來LED芯片發(fā)展的兩個必然趨勢，提高芯片的出光效率是解決光源大功率化和可靠性的根本。為了在出光效率和效果上能有更大的改進(jìn)，人們在不同襯底上制作LED芯片，或采用一些新的設(shè)計思路、工藝結(jié)構(gòu)和制備方法等，以提高它的出光效率。LED芯片形狀通常為方形，方形芯片所產(chǎn)生的束剖面與光學(xué)設(shè)計中使用的圓形鏡片的圓形切面結(jié)合時失配比較大，封裝后容易產(chǎn)生光束扭曲和暗點(diǎn)。近來，Verticle公司推出六角LED芯片，以期提高出光效率，在實踐中，其光學(xué)性能、出光效率和成本上比傳統(tǒng)的LED芯片有所改進(jìn)。因此，采用Tracepro軟件，對六角形LED芯片進(jìn)行仿真模擬，通過與傳統(tǒng)的正方形LED芯片比較，了解其出光特性及其效率的提高程度。

1、模擬方案

　　通過TracePro軟件建立LED的物理模型、設(shè)置合理的光源參數(shù)、選擇合適的系統(tǒng)材料和表面性能參數(shù)，分析LED模型的各表面光強(qiáng)分布和光線數(shù)量等參數(shù)。先設(shè)定LED芯片的光源，由光源的入射參數(shù)確定每一束光攜帶的能量，發(fā)射點(diǎn)位置則是在某一平面隨機(jī)產(chǎn)生。某一光束與系統(tǒng)內(nèi)表面的吸收、反射或折射是隨機(jī)的，若光束被漫反射表面反射，其反射方向亦隨機(jī)，所有這些隨機(jī)性行為符合物理定律的概率模型來描述和確定。在計算中，跟蹤記錄每一束光的行蹤直到它被吸收或者逸出系統(tǒng)，然后再跟蹤下一束光線，通過跟蹤大量的光束，將結(jié)果平均就可以確定在透鏡表面發(fā)出的光線數(shù)量，從而確定LED模型的光學(xué)性能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為比起傳統(tǒng)的方法，Tracepro在建立顯示系統(tǒng)的原型時，時間上和成本上要大大減少。

　　首先對LED模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?然后利用TracePro軟件對LED模型進(jìn)行仿真模擬，設(shè)定發(fā)光面光源、功率、追蹤光線數(shù);再對器件的折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行設(shè)定，在透鏡的上方建立一個觀察表面，最后進(jìn)行光線追蹤模擬。

2、結(jié)構(gòu)模型

　　圖1(a)是一個簡單封裝的LED模型，最下方是一個正四棱柱的底座，在上面是一個正方形的LED芯片，用標(biāo)準(zhǔn)的圓形透鏡進(jìn)行封裝。由于比較不同芯片形狀對出光效果的影響，所以需要定義相同材質(zhì)，透鏡的材質(zhì)定義為環(huán)氧樹脂。

　　類似的再建立另外一個除了芯片的形狀，其他都和圖1一模一樣的LED 模型，如圖1(b)所示，LED芯片換成一個面積和正方形芯片一樣的六角形芯片。兩個模型的底座、芯片和透鏡的材質(zhì)都定義成相同的，這樣兩個模型模擬比較的時候變量只有芯片的形狀，然后對兩個LED模型的發(fā)光面進(jìn)行光源定義，在透鏡的上方建立與透鏡底座半徑大小相當(dāng)?shù)膱A形觀察表面，進(jìn)行模擬比較分析。

圖1　正方形和六角形LED芯片模型

　　由于芯片上表面射出的光線占總光線的絕大部分，且光線射出滿足Lambertian分布。因此，該表面發(fā)光強(qiáng)度空間分布可表示為：

　　式中，IN為發(fā)光面在法線方向的發(fā)光強(qiáng)度，Ii為和法線成任意角度i方向的發(fā)光強(qiáng)度。且該發(fā)光表面各個方向的亮度是一個常量：

　　這樣，在平面孔徑角為i的立體角范圍內(nèi)發(fā)出的光通量可表示為：

3、結(jié)論

　　利用TracePro軟件對不同形狀芯片的LED模型進(jìn)行光學(xué)仿真模擬，結(jié)果表明在傳統(tǒng)LED芯片中所出現(xiàn)的光線扭曲和暗點(diǎn)的問題上，六邊形LED芯片模擬出來的結(jié)果有得到明顯的改善，照度均勻性得到明顯的增強(qiáng)，光能的輸出效率也有一定的提高。在成本方面一片外延片能生產(chǎn)的六邊形芯片數(shù)量比生產(chǎn)出的同樣尺寸的四邊形芯片的數(shù)量多，具有較大優(yōu)勢。針對常見的幾種封裝模式的LED模型，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在Lamp　LED 的所有系列中六邊形LED芯片的模型在光強(qiáng)上均要比正方形LED芯片模型的光強(qiáng)強(qiáng)度有所增強(qiáng)，在SMD LED的模型中，由于芯片外殼非常近，光線的損耗非常的小，兩種不同芯片模型的光強(qiáng)基本相同，但是六邊形芯片模型的照度均勻性要比正方形芯片模型的要好，光束的扭曲度也有所下降，中心區(qū)域照度分布比較集中。

　　封裝高度對均勻度具有很大的影響，隨著高度的上升均勻度大幅上升，但在邊高比L：R =3時，均勻度基本不再上升，達(dá)到了一個極限值。通過對各模型的均勻度比較可以得出，正多邊形的芯片，邊數(shù)越多越接近圓形鏡片的圓形切面，均勻度越好。但由于許多專利和技術(shù)的限制，目前六邊形LED芯片并沒有得到廣泛的應(yīng)用，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，六邊形LED芯片在未來也許會得到廣泛的應(yīng)用。