第 B 部分：使用光线追迹进行 OLED 仿真

🎯 学习目标

使用 光线追迹 光学模型设置并运行 OLED 仿真。
将光线追迹与 传输矩阵法 进行比较，并理解角分辨分析的优势。
解读综合 电学 + 光学 输出，包括 L–I–V 曲线与电压–光通量。
使用 RGB 值与 CIE 1931 x, y, z（X, Y, Z）光谱分析 角度相关发射。
配置发射光谱（实验 vs. 计算）与光线追迹参数（theta/phi 范围、发射位置）。

📦 前置条件

已安装并可正常运行 OghmaNano。
对 OLED 概念有基本了解（EML/HTL/ETL，电致发光）。

⏱ 预计时间

第 A 部分：10–15 分钟
第 B 部分：10–15 分钟
总计：~1 小时，取决于探索程度。

▶️ 视频教程

1. 引言

在上一节中我们使用 传输矩阵法（TMM）来计算光子从器件中逃逸的概率。TMM 将光视为波，能够自然地捕捉层间界面的多次反射以及薄膜腔内由此产生的干涉。

在本节中我们切换到一种互补方法：光线追迹。在这里光被视为粒子（光线），这也是计算机图形学中广泛使用的范式。其关键优势在于显式的 角度依赖性：我们可以跟踪光线离开器件时如何折射与反射，从而预测角分辨行为——例如观察到的颜色（光谱）如何随视角变化——这正是本节的重点。

2. 快速入门 - 光线追迹

要创建新的 OLED 光线追迹 仿真，打开 New simulation 窗口并双击 OLED (Ray Trace) （见 ??）。将新项目保存到磁盘。打开后，你会看到主 OLED 界面（ ?? ），其与上一示例相似，但光学模型中启用了 光线追迹器。

New simulation window showing the option to create an OLED (Ray Trace) project. — *New simulation* 窗口，显示创建 **OLED (Ray Trace)** 项目的选项。

Default OLED simulation window with ray tracing enabled. — 启用光线追迹后打开的默认 OLED 仿真窗口。

在主界面中，切换到 Optical 功能区（??），并像上一仿真一样点击 Optical outcoupling。这将打开出耦窗口（见 ??）。注意这一次在主界面中选中的是 Ray Trace 按钮，而不是 Transfer Matrix 按钮。点击 Run optical simulation（▶）按钮将启动光线追迹器，它会从有源层内的每个网格点发射光线并传播，以计算各位置处光子逃逸出器件的概率。

OghmaNano Optical ribbon showing tools for light-source setup, transfer matrix calculations, optical outcoupling, ray-tracing editor, FDTD simulation, mode calculator, optical thickness, optical mesh, and boundary conditions. — *OghmaNano* 中的 *Optical* 功能区。该工具栏汇集了所有光学建模工具，点击 **Optical outcoupling** 可启动光提取分析工具。

Outcoupling calculated using the ray tracing method. — 使用 *光线追迹* 方法计算的出耦效率。

由于复杂度更高，这将比 TMM 仿真花费更长时间。此外，为了节省时间，仿真只会计算有源区域的逃逸概率。请注意，光线追迹的出耦效率低于传输矩阵预测的值，因为传输矩阵法假设光沿界面法向传播，而光线追迹允许光线向各个方向传播，其中有些方向的光线将永远不会离开器件。

3. 与光线追迹结合的电学仿真

现在返回主仿真窗口并按下 蓝色播放 按钮（或按 9）来运行主仿真。该运行首先执行 光线追迹器，然后执行 drift–diffusion 求解器。光线追迹器计算有源层中产生的光子逃逸出器件的概率，同时它也确定发射角分布（因此决定哪些角度可见哪些颜色）。随后，drift–diffusion 求解器通过评估复合项来计算发射光的强度，该项表示辐射发射速率。得到的光线追迹视图如图 5 所示，相应的电压–光输出曲线（lv.csv，光通量随电压）如图 6 所示。

OghmaNano Optical ribbon with Ray tracing selected: a 3D OLED stack is shown with multicolored rays launched from the emissive layer and refracting or trapping at interfaces after a drift–diffusion run. — 组合仿真后的 OghmaNano 主窗口：drift–diffusion 求解器提供空间复合分布（发射源），而 *Optical → Ray tracing* 引擎将光线通过多层 OLED 传播，捕获出射、全内反射与波导损耗。

Graph titled 'Voltage – Light flux': light output remains near zero below turn-on then rises sharply with increasing applied voltage. — 组合电–光工作流得到的电压–光输出曲线。低于开启电压时发射通量可忽略；当载流子注入与辐射复合增加后，出耦的光功率会随电压急剧上升。

3. 关键输出

如果你检查组合 光线追迹 与 drift–diffusion 仿真的输出（??），你会发现许多文件与上一节（传输矩阵）中描述的相同。关键新增之处在于光线追迹给出了 角分辨发射分布，因此 OghmaNano 还会写出与角度相关的颜色数据：整体 RGB 随视角变化（theta_RGB.csv），以及 CIE 1931 分量 x、y、z 与三刺激值 X、Y、Z 随角度变化（theta_x/y/z.csv、theta_X/Y/Z.csv）。这些在图中以彩虹光谱预览图标显示，并在下表中进行了汇总。

Main OghmaNano window showing output files from a combined drift–diffusion + ray-tracing run, including angle-resolved RGB and CIE (x,y,z / X,Y/Z) data. — **drift–diffusion 与光线追迹组合**仿真的输出。与更早的传输矩阵工作流相比，光线追迹会生成 *更多文件*，因为它解析了颜色与强度对 **视角依赖性** （`theta_RGB.csv`、`theta_x/y/z.csv`、`theta_X/Y/Z.csv` 等）。

CIE 1931 x component versus viewing angle from theta_x.csv. — **drift–diffusion 与光线追迹组合**仿真的输出。与更早的传输矩阵工作流相比，光线追迹会生成 *更多文件*，因为它解析了颜色与强度对 **视角依赖性** （`theta_RGB.csv`、`theta_x/y/z.csv`、`theta_X/Y/Z.csv` 等）。

描述颜色随视角变化的文件。
文件名	描述
`theta_RGB.csv`	RGB 值随视角变化
`theta_x.csv`	CIE 1931 x 随视角变化
`theta_y.csv`	CIE 1931 y 随视角变化
`theta_z.csv`	CIE 1931 z 随视角变化
`theta_X.csv`	CIE 1931 X 随视角变化
`theta_Y.csv`	CIE 1931 Y 随视角变化
`theta_Z.csv`	CIE 1931 Z 随视角变化

4. 发射光的光谱

正如你可以为每一层设置电学参数一样，你也可以在 Emission parameters 窗口中为每一层配置 发射光谱 （从主界面打开 Device structure → Emission parameters；见图 5）。光谱可以是：

实验光谱 — 将 Use experimental emission spectra 切换为 On，然后通过 Experimental emission spectra 选择数据集。用 Experimental emission efficiency 控制整体强度（范围 0.0–1.0，au）。材料数据库中提供了许多数据集，你也可以添加自己的数据集（见 Databases）。
计算光谱 — 将 Use experimental emission spectra 切换为 Off，以根据载流子布居与态密度使用费米黄金法则计算光谱。会出现额外的光子产生效率项（均为 0.0–1.0，au）：n_free→p_free、 n_free→n_trap、n_trap→p_free、 p_trap→n_free 与 p_free→p_trap。该模式面向高级用户。

当使用 Ray tracing 进行出耦时，每一层都可以在 Ray tracing 部分使用球坐标角来指定发射方向： Theta steps（例如 180）、Theta start/stop（度，例如 0–360）； Phi steps（例如 25）、Phi start/stop（度，例如 0–360）。这使你能够探索角度方向上的出光。对于平坦且横向均匀的堆叠结构，对称性往往意味着你只需要改变 theta 或 phi 其中之一。

Emit from 选项控制光线源位置： Center of each layer 从每个发射层的中心发射光线（快）； At each electrical mesh point 在每个电学网格节点发射光线以获得更高保真度（更慢，但可通过增加线程数来抵消）。

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' On. Fields: Experimental emission spectra (file chooser), Experimental emission efficiency (0.0–1.0), Ray tracing angles (Theta steps/start/stop, Phi steps/start/stop, degrees), and Emit from selector. — **（a）** 使用实验发射光谱：切换为 On，选择数据集（例如 `small_molecules/Alq3`），设置效率，并为光线追迹配置角度采样。

Emission parameters window with 'Use experimental emission spectra' Off. Additional fields appear for photon-generation efficiencies: nfree→pfree, nfree→ntrap, ntrap→pfree, ptrap→nfree, pfree→ptrap (each 0.0–1.0). Ray tracing theta/phi ranges and steps plus Emit from are also shown. — **（b）** 使用计算光谱：切换为 Off 以启用费米黄金法则模式，并设置各通道的光子产生效率，同时保留相同的光线追迹角度与源位置控制。