專利名稱：大功率led陣列集成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大功率LED陣列的集成方法，屬于LED照明技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光效的不斷提高，LED逐漸發(fā)展為一種新型的光源，廣泛應(yīng)用各種照明如路燈、隧道燈、工礦燈、室內(nèi)照明及投影與顯示照明。單顆LED由于輸出的光通量有限，因此在很多照明應(yīng)用中，需要將多顆LED集成一個(gè)LED陣列模組使用。因此如何設(shè)計(jì)一個(gè)LED陣列模組，使其在目標(biāo)平面上實(shí)現(xiàn)均勻照明，是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。先前的技術(shù)對(duì)LED陣列的排列，主要是通過解析的方法進(jìn)行計(jì)算LED陣列的排布，求解過程復(fù)雜，計(jì)算效率低，只能對(duì)近似朗伯分布的LED進(jìn)行排列設(shè)計(jì)。中國專利申請(qǐng)201110366801. 6中，通過使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化排列LED位置，形成了一個(gè)對(duì)LED陣列模組，使其能夠在照明面上形成均勻的照度分布。這種方法對(duì)顆數(shù)比較少的陣列效果不錯(cuò)，但是對(duì)顆數(shù)較多的LED陣列，如LED顆數(shù)達(dá)到幾十顆的時(shí)候，由于涉及的優(yōu)化參數(shù)較多，優(yōu)化時(shí)間變得非常長，·普通的計(jì)算機(jī)幾乎無法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種大功率LED陣列集成方法，將多顆LED快速集成一個(gè)大功率的LED陣列模組，這個(gè)陣列模塊在目標(biāo)平面上實(shí)現(xiàn)了照度均勻化。此方法可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)目，任意光強(qiáng)分布的LED陣列集成，可以通過計(jì)算機(jī)程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化排布集成，增強(qiáng)了工業(yè)應(yīng)用的可操作性。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述大功率LED陣列集成方法，首先通過數(shù)值優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)LED陣列基本模塊的最佳排列，使這些LED陣列基本模塊在照明面上照度均勻化，所述LED陣列基本模塊包括由4顆、5顆、6顆、7顆LED分別構(gòu)成的基本陣列；然后將這些基本陣列模塊擴(kuò)展成大規(guī)模的LED陣列。由基本陣列擴(kuò)展為大規(guī)模陣列時(shí)，由基本陣列作為一個(gè)母陣列，然后將母陣列沿各方向復(fù)制成為新的子陣列，母陣列和子陣列之間共用了一條邊。然后將每個(gè)新子陣列再作為一個(gè)母陣列繼續(xù)擴(kuò)展。最后在所述大規(guī)模LED陣列中連續(xù)選取所需數(shù)量的LED子陣列作為一個(gè)應(yīng)用的陣列。所述的大規(guī)模LED陣列是由大于7個(gè)LED構(gòu)成的。所述數(shù)值優(yōu)化的方法是指優(yōu)化照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)，所述照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)為照明面上多點(diǎn)照度的方差，照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)是關(guān)于陣列中各LED位置坐標(biāo)的函數(shù)，通過優(yōu)化LED的位置，實(shí)現(xiàn)照度均勻性目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)值最小，即方差最小，即獲得照明面上照度的均勻分布。選擇優(yōu)化算法對(duì)所述照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)值小于要求的最小值，就獲得了各LED的最佳位置，所述優(yōu)化算法采用隨機(jī)游走算法、粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法、魚群算法或果蠅算法。所述隨機(jī)游走算法為多目標(biāo)尋優(yōu)算法。所述連續(xù)選取LED子陣列的過程中，需優(yōu)先保持子陣列中的LED是連續(xù)且對(duì)稱分布的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明先優(yōu)化幾個(gè)小顆數(shù)的陣列模塊作為基本陣列，最后按照一定方法將這些基本陣列集成為一個(gè)大顆數(shù)的LED模組。使用數(shù)值優(yōu)化方法優(yōu)化顆數(shù)較少的幾個(gè)基本陣列模塊就可以集成任意顆數(shù)的LED陣列。這種方法快速，簡單且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排列；特別是在顆數(shù)非常大的時(shí)候，優(yōu)勢非常明顯。


圖I為本發(fā)明的實(shí)施流程圖。
圖2(a)為用優(yōu)化的隨機(jī)游走方法模擬的五顆LED照度均勻排布陣列圖。圖2(b)為用優(yōu)化的隨機(jī)游走方法模擬的六顆LED照度均勻排布陣列圖。圖2(c)為用優(yōu)化的隨機(jī)游走方法模擬的七顆LED照度均勻排布陣列圖。圖3(a)為五顆LED基本陣列單元按向量移動(dòng)以形成一個(gè)大規(guī)模陣列的示意圖。圖3(b)為六顆LED基本陣列單元按向量移動(dòng)以形成一個(gè)大規(guī)模陣列的示意圖。圖4(a)為本發(fā)明實(shí)施例的五顆LED基本陣列集成的大規(guī)模陣列集成面。圖4(b)為本發(fā)明實(shí)施例的六顆LED基本陣列集成的大規(guī)模陣列集成面。圖4(c)為本發(fā)明實(shí)施例的七顆LED基本陣列集成的大規(guī)模陣列集成面。圖5為在LED集成面上圈選9顆LED作為子陣列的組合排布。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的思路是先進(jìn)行較少數(shù)目的LED陣列優(yōu)化排列，使其照度均勻化，把這些優(yōu)化好的陣列稱為基本模塊(基本模塊包括了，4，5，6，7顆LED分別構(gòu)成的陣列模塊)。優(yōu)化這些基本模塊的排列，采用隨機(jī)游走算法、粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法、魚群算法或果蠅算法。然后用計(jì)算機(jī)將這些LED陣列基本模塊進(jìn)行大規(guī)模集成。在大規(guī)模集成陣列里面，可圈選所需要數(shù)目的LED陣列作為一個(gè)子陣列進(jìn)行應(yīng)用。在圈選子陣列的過程中，盡量保持子陣列中的LED是連續(xù)且對(duì)稱分布的，LED陣列集成過程如圖I所示。如圖I所示，本發(fā)明首先是利用數(shù)值優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)LED陣列基本模塊的最佳排布，其中采用的照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)為照明面上多點(diǎn)照度的方差。在程序運(yùn)行時(shí)，通過合理優(yōu)化基本模塊中的各LED的位置，實(shí)現(xiàn)照度均勻性目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)值最小，即方差最小，即可以獲得照明面上照度的均勻分布。然后將這些LED基本陣列模塊擴(kuò)展成大規(guī)模的陣列，再在這個(gè)大規(guī)模陣列中連續(xù)選取所需數(shù)量的LED子陣列作為一個(gè)應(yīng)用的陣列。所述的大規(guī)模LED陣列是由大于7個(gè)LED構(gòu)成的。優(yōu)化過程就是使照明面照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)值最小，即照明面上各點(diǎn)照度方差最小，即均勻度提高的過程。優(yōu)化的具體實(shí)施過程如下選擇合理的優(yōu)化算法(如隨機(jī)游走算法，粒子群算法，蟻群算法，果蠅算法等)對(duì)目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)函數(shù)值小于要求的最小值，這樣就可以獲得各LED的最佳位置。在獲得LED的最佳位置之后，將LED陣列光源按計(jì)算獲得位置進(jìn)行排布，在光線仿真與分析軟件，基于蒙特卡洛方法進(jìn)行分析，來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。常用的分析軟件Tracepro, ASAP, Lightools等。以下以隨機(jī)游走算法為例，介紹隨機(jī)游走優(yōu)化LED基本陣列模塊的過程。隨機(jī)游走算法是一種基于運(yùn)用[O，I]區(qū)間的均勻分布隨機(jī)數(shù)序列來進(jìn)行的計(jì)算，非常適用于處理非線性優(yōu)化問題。使用隨機(jī)游走算法進(jìn)行優(yōu)化照度均勻性需要以下幾個(gè)步驟
I建立評(píng)價(jià)函數(shù)。評(píng)價(jià)函數(shù)是用來判斷目標(biāo)游走到某個(gè)位置優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，是進(jìn)行隨機(jī)游走的唯一依據(jù)，評(píng)價(jià)函數(shù)就是照度均勻性的評(píng)價(jià)函數(shù)。2目標(biāo)初始化。隨機(jī)游走算法需要對(duì)所需優(yōu)化的目標(biāo)選取初始位置(這里對(duì)應(yīng)于LED初始位置)，原則上講，從任何一個(gè)初始位置出發(fā)均可找到目標(biāo)函數(shù)最小值，但是為了減小優(yōu)化時(shí)間，最好是要選擇一個(gè)合適的初始位置，這個(gè)初始位置應(yīng)當(dāng)是在游走范圍內(nèi)所要求的幾率分布密度最大的區(qū)域。 3設(shè)置游走步長。為目標(biāo)游走設(shè)置游走步長，每次游走的方向及距離由隨機(jī)產(chǎn)生的權(quán)值決定。擇選擇適當(dāng)權(quán)值大小的原則是要在游走的試探過程中，有1/3到1/2的試探步子將被接受。4選擇操作。選擇操作是選定目標(biāo)初始值后得到一個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)的始值，每游走一步產(chǎn)生一個(gè)新的函數(shù)值，并與前一值比較，選擇較小值作為當(dāng)前函數(shù)最優(yōu)值。逐次游走直至游走結(jié)束。5最優(yōu)值的選定。如果在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)都找不到更優(yōu)的值，則認(rèn)為最優(yōu)解在以當(dāng)前最優(yōu)解為中心，當(dāng)前步長為半徑的球內(nèi)，這時(shí)將步長減半。返回到初始值位置，再開始新一輪的行走。6非線性尋優(yōu)。隨機(jī)游走算法游走一定次數(shù)后，以所得到結(jié)果為初始值，進(jìn)行局部尋優(yōu)，并把尋優(yōu)找到的局部最優(yōu)值作為新的初始值并繼續(xù)游走，直到最后找到目標(biāo)函數(shù)所要求的位置，也就是找到了均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)最小值對(duì)應(yīng)的LED位置坐標(biāo)。如圖2(a) (b) (c)所示分別為用優(yōu)化的隨機(jī)游走方法模擬的五顆、六顆、七顆LED照度均勻排布陣列圖。如果采用其它算法，其實(shí)施過程與隨機(jī)游走算法的實(shí)施過程也類似，把照度均勻化評(píng)價(jià)函數(shù)與每種算法的目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)相對(duì)應(yīng)，把LED位置坐標(biāo)作為目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)的變量，通過算法的實(shí)施，優(yōu)化變量的位置坐標(biāo)得到目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)的最小值。下面介紹實(shí)現(xiàn)LED陣列集成的方法。選擇LED排布的集成面所在平面作為坐標(biāo)面，建立平面坐標(biāo)系。將LED基本陣列(如5顆陣列)作為集成面的一個(gè)母陣列，母陣列的中心位置設(shè)置在坐標(biāo)原點(diǎn)。在LED排布平面內(nèi)，將母陣列將按照一定方向復(fù)制，保證產(chǎn)生的新陣列與母陣列共用一條邊。然后將每個(gè)新子陣列再作為一個(gè)母陣列繼續(xù)擴(kuò)展。圖3所示為一個(gè)由基本陣列擴(kuò)展為大規(guī)模陣列的示意圖。圖3 Ca)由五顆基本陣列單元擴(kuò)展成一個(gè)大規(guī)模陣列的示意圖；圖3 (b)由六顆基本陣列單元擴(kuò)展成一個(gè)大規(guī)模陣列的示意圖；圖3 (c)由七顆基本陣列單元擴(kuò)展成一個(gè)大規(guī)模陣列的示意圖。圖4(a)，(b), (c)分別為由五、六、七顆LED基本陣列構(gòu)成的大規(guī)模LED陣列。圖5示意了如何從大規(guī)模LED陣列中選取任意顆數(shù)的應(yīng)用陣列。
權(quán)利要求
1.大功率LED陣列集成方法，其特征是通過數(shù)值優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)LED陣列基本模塊的最佳排列，使這些LED陣列基本模塊的照度均勻化，所述LED陣列基本模塊包括由4顆、5顆、6顆、7顆LED分別構(gòu)成的基本陣列；然后將這些基本陣列模塊擴(kuò)展成大規(guī)模的LED陣列，再在所述大規(guī)模LED陣列中連續(xù)選取所需數(shù)量的LED子陣列作為一個(gè)應(yīng)用的陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，所述的大規(guī)模LED陣列是由大于7個(gè)LED構(gòu)成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，所述數(shù)值優(yōu)化的方法是指優(yōu)化照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)，所述照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)為照明面上多點(diǎn)照度的方差，通過優(yōu)化LED的位置，實(shí)現(xiàn)照度均勻性目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)值最小，即方差最小，即獲得照明面上照度的均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，選擇優(yōu)化算法對(duì)所述照度均勻性評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)函數(shù)值小于要求的最小值，就獲得了各LED的最佳位置，所述優(yōu)化算法采用隨機(jī)游走算法、粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法、魚群算法或果妮算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，所述隨機(jī)游走算法為多目標(biāo)尋優(yōu)算法。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，所述大規(guī)模LED陣列是由照度均勻的LED陣列基本模塊構(gòu)成；由基本陣列擴(kuò)展為大規(guī)模陣列時(shí)，由基本陣列作為一個(gè)母陣列，然后將母陣列沿各方向復(fù)制成為新的子陣列，母陣列和子陣列之間共用了一條邊，然后將每個(gè)新子陣列再作為一個(gè)母陣列繼續(xù)擴(kuò)展。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率LED陣列集成方法，其特征在于，所述連續(xù)選取LED子陣列的過程中，需優(yōu)先保持子陣列中的LED是連續(xù)且對(duì)稱分布的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率LED陣列集成方法，首先通過數(shù)值優(yōu)化的方法實(shí)現(xiàn)LED陣列基本模塊的最佳排列，使這些LED陣列基本模塊在照明面上照度均勻化，所述LED陣列基本模塊包括由4顆、5顆、6顆、7顆LED分別構(gòu)成的基本陣列；然后將這些基本陣列模塊擴(kuò)展成大規(guī)模的LED陣列；最后在所述大規(guī)模LED陣列中連續(xù)選取所需數(shù)量的LED子陣列作為一個(gè)應(yīng)用的陣列。所述的大規(guī)模LED陣列是由大于7個(gè)LED構(gòu)成的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是使用數(shù)值優(yōu)化方法優(yōu)化顆數(shù)較少的幾個(gè)基本陣列模塊就可以集成任意顆數(shù)的LED陣列。這種方法快速，簡單且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排列；特別是在顆數(shù)非常大的時(shí)候，優(yōu)勢非常明顯。
文檔編號(hào)H01L25/13GK102683337SQ20121018405
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者孫玉平, 張?jiān)讫? 王建坤, 蘇宙平 申請(qǐng)人:江蘇彤明車燈有限公司