De komst van de witte lichtgevende diode (LED), die bestaat uit een blauwe LED met een fosforlaag, vermindert het energieverbruik voor verlichting aanzienlijk. Ondanks de snelgroeiende markt, witte LED's worden nog steeds ontworpen met langzame numerieke trial-and-error-methoden. Een team van wetenschappers van de Universiteit Twente, Technische Universiteit Eindhoven, en toonaangevende industrie Signify (voorheen Philips Lighting) hebben een radicaal nieuw ontwerpprincipe geïntroduceerd dat is gebaseerd op een analytisch model in plaats van een numerieke benadering. Het model voorspelt het kleurpunt van een witte LED voor elke combinatie van ontwerpparameters en zorgt voor een veel sneller ontwerp, tot wel 1 miljoen keer, wat resulteert in lagere ontwerp- en productiekosten. De resultaten worden gepubliceerd in ACS Fotonica .

De belangrijkste kenmerken van een witte lichtbron zijn het kleurpunt en de efficiëntie. Het kleurpunt wordt gedefinieerd door het uitgezonden spectrum en wordt beschreven door twee parameters die de zogenaamde kleurruimte overspannen. Optische ontwerpers gebruiken momenteel numerieke simulaties, vaak gebaseerd op Monte-Carlo raytracing-technieken om het kleurpunt te extraheren, gezien de ontwerpparameters van de witte lichtbron. Om op een specifiek kleurpunt te richten, optische ontwerpers moeten deze simulaties gebruiken voor elke gekozen set ontwerpparameters. Helaas, simulatiemethoden zijn erg traag en bijgevolg kan slechts een klein deel van de ruimte van de ontwerpparameter worden verkend. Vandaar, het ontwerp van een witte LED is gebaseerd op de ervaring van de optische ontwerper in plaats van op een systematische verkenning van de volledige ontwerpparameterruimte.

Witte LED's hebben tal van voordelen ten opzichte van conventionele lichtbronnen zoals gloeilampen of ontladingslampen. Witte LED's behoren tot de meest energiezuinige bronnen, ze zijn mechanisch robuust en thermisch stabiel, ze bezitten een goede tijdelijke stabiliteit en ze hebben een lange levensduur. Een typische witte LED bestaat uit een blauwe halfgeleider-LED en een fosforlaag die bestaat uit een matrix van fosformicrodeeltjes (zie figuur 1).

Een deel van het blauwe licht wordt door de fosforlaag doorgelaten, en een deel wordt geabsorbeerd en opnieuw uitgezonden in het rode en groene deel van het spectrum om het gewenste witte licht op te leveren. De relatieve hoeveelheden verstrooid en opnieuw uitgestraald licht (Figuur 2) bepalen het kleurpunt van een witte LED. Om het kleurpunt aan te passen, verschillende ontwerpparameters zijn beschikbaar, zoals de fosfordeeltjesdichtheid r (zie figuur 3), de fosforlaagdikte L, het soort fosfor, het type blauwe LED, en extra optische elementen.

Het systematisch ontwerpen van het kleurpunt van een witte LED vereist algoritmen die veel sneller zijn dan raytracing-technieken. Toonaangevende auteur IJzerman van het bedrijf Signify zegt:"Tot op heden is er geen goed model om verstrooiing in de verlichtingsindustrie te beschrijven. Al onze modellen zijn afhankelijk van geavanceerde curve-fitting waarbij een of meer parameters worden bepaald door metingen te matchen met simulaties. Om deze tijdrovende en kostbare aanpak te verbeteren, een a priori model op basis van fysiek meetbare parameters zou van grote waarde en een grote stap voorwaarts zijn." Dat hebben de onderzoekers ontwikkeld.

Het Nederlandse team introduceert een extreem snelle en analytische rekentool gebaseerd op de zogenaamde P3-benadering van de stralingsoverdrachtsvergelijking. Hoofdauteur Vos zegt:"We zijn in staat om het kleurpunt van een witte LED te voorspellen uitgaande van de gekozen ontwerpparameters. we kunnen de ontwerpparameters van een witte LED krijgen vanaf een gericht kleurpunt."

IJzerman zegt, "In deze nieuwe situatie het inverse probleem vereist geen iteratieprocedure voor elke nieuwe ontwerpcyclus. Gezien de snelheid van onze tool, we kunnen een opzoektabel genereren voor de hele parameterruimte die beschikbaar is voor ingenieurs. Daarbij, we behalen enorme snelheids- en efficiëntievoordelen."

Lagendijk zegt, "Ik ben verheugd dat witte LED's verder zullen bijdragen aan een snelle globalisering van verlichting, en daarmee tot wereldwijde alfabetisering en democratisering. Dit is relevant voor regio's waar enkele zonnecellen direct beschikbaar zijn, en waar een uitgebreid elektriciteitsnet te duur of vervelend is."