为解决光子在半导体和空气界面处的全反射导致的GaN基发光二极管外量子效率低下的问题,基于双光栅GaN基发光二极管芯片模型的基本构成,利用蒙特卡罗算法及波动方程理论进行模拟, 分析了光子的主要损耗对出光效率的影响.通过数值计算模拟,计算了不同光栅槽深、周期及吸收系数对发光二极管光提取效率的动态影响,结果表明：光提取效率曲线随反射光栅槽深的增大呈余弦周期性变化,与光栅衍射效率与槽深之间的关系是一致的；光提取效率在光栅间距为介质中光波长附近时达到最大,随着周期的增大或减小而减小；双光栅GaN基发光二极管受GaN吸收系数影响比传统GaN基发光二极管明显,吸收系数越小, 光提取效率越高.透射光栅槽深为350 nm,周期为300 nm,反射光栅槽深为230 nm,周期为250 nm,GaN吸收系数为0时能获得最大光提取效率为67%.而传统平板型GaN基发光二极管,模拟得到的光提取效率只有18.5%,添加双光栅结构后的GaN基发光二极管,可以提高光提取效率3倍以上.结合提高晶体质量,降低GaN吸收系数能更有效提高光提取效率.

根据非成像光学理论,从能量传递的角度分析了发光二极管(LED)抛物反射器几何参数与LED绕垂直于光线传播方向轴旋转角度对能量收集率的影响,建立了统一的抛物反射器的光能利用率与几何参数及LED旋转角度的解析表达式。分析结果表明,利用光学扩展量来评价LED抛物反射器的能量收集率是合理的;通过旋转LED光源,可进一步提高光能收集率,抛物反射器的几何参数不同,其最佳的旋转角度也不同。仿真模拟结果与理论分析结论基本一致。

针对当前发光二极管(LED)灯具的高效率要求和汽车前照灯出射光束特点,根据非成像光学理论建立了新型LED抛物反射器优化设计的理论模型,实现了反射杯光能利用率的最大化和前灯出射光束的不对称光强分布,进而依据该模型设计了新型反射式LED汽车前照灯光学系统。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明不考虑反射率损失时的反射器光能利用率可达96%以上,在25 m测试屏上近光出射光型具有鲜明的截止线,左右视野宽度大于15 m;远、近光分布符合国标要求,且整灯外形结构尺寸仅为160 mm×80 mm×30 mm。

针对发光二极管(LED)光源的发光特点, 根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程, 实现了在特定目标面上的均匀照明, 进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统。利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%, 不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%。该设计方案采用单一反射器实现均匀照明, 为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径。