Ⅱ类编队灯的LED侧发光照明设计

2019-04-10夏小春徐海琴

照明工程学报 2019年1期

尹静，夏小春，徐海琴

(1.中国航空工业上海航空电器有限公司，上海 201101；2.中国人民解放军空军驻上海地区军事代表室，上海 201101)

引言

编队灯作为现代战机必不可少的机外照明灯具，其作用是在飞机夜间编队飞行时向邻近飞机驾驶员提供清晰的有关长机姿态及方位的视觉信息。编队灯分为Ⅰ类编队灯和Ⅱ类编队灯。两者的主要区别为：Ⅰ类编队灯的出光光型是点光源，Ⅱ类编队灯的出光光型是面光源。由于Ⅰ类编队灯容易使得飞行员产生自发运动错觉[1]，可能导致飞行员做出误判断。而Ⅱ类编队灯以其发光面积大、出光均匀、厚度薄、可以与飞机小曲率曲面共形等优点，目前大量应用于国内外飞机上。

传统的Ⅱ类编队灯使用场致发光屏(electro luminescence，EL)作为光源。EL屏编队灯的最大表面亮度一般在60～100 cd/m2之间，亮度较低，其可被观察的距离有限。由于EL屏的技术限制，增加其亮度的同时势必会减少使用寿命，两者难以达到平衡；且双模式编队灯的友好模式EL屏与隐蔽模式EL屏的发光面积各占用总发光面积的50%，有效发光面积小。在日益提高的照明需求下，EL屏编队灯暴露出亮度低、有效发光面积小、寿命短等问题，已经难以适应越来越高的使用需求。

而LED作为新一代光源，具有亮度高、寿命长等显著优点，已经广泛应用于各类照明系统中[2]。国外在研究使用LED作为光源的Ⅱ类编队灯上取得了一定的成果。美国的霍尼韦尔公司研发的一款LED型Ⅱ类编队灯，其厚度在12.7 mm左右，但由于产品的厚度较厚，在曲面共形方面存在一定困难，在实际使用中对飞机安装面的要求较高。

因此，为了适应越来越高的机外照明需求，研制一型以LED为光源、具备曲面匀光能力、兼具亮度及有效发光面积等性能指标提升、与飞机小曲率曲面共形的Ⅱ类编队灯，成为日益重要的技术课题。

1 设计要求

1)对光性能的要求。依据SAE APR5825A—2016及GJB 2020A—2012标准要求，编队灯友好模式的表面亮度值不低于51 cd/m2，隐蔽模式的辐亮度值不低于5.0×10-8W/(sr·cm2)，EL屏Ⅱ类编队灯能够满足上述2个指标要求。但由于用户在实际使用时观察距离增加，Ⅱ类编队灯需相应提高表面亮度和辐亮度来提升其可视性。LED型Ⅱ类编队灯的表面亮度及辐亮度设计值的确定，应通过对不同远、近距离下各级表面亮度及辐亮度观察效果的摸底。同时还需考虑用户要求、飞机大小、安装部位、装机试验效果、用户使用体验等影响因素，相应调整设计值。

2)对有效发光面积的要求。由于场致发光屏的发光原理和技术限制，在同一块EL屏上无法实现既发绿光，又发红外光的功能，因此EL屏编队灯的有效发光面积已经无法提高。但由于用户在实际使用时观察距离增加，LED型Ⅱ类编队灯可以通过将友好模式和隐蔽模式共用发光面，在有限外形下提高有效发光面积来提升其可视性。

3)对结构外形的要求。飞机的外形设计采用的是流线形设计，编队灯必须与飞机外表面曲面共形，有利于减小飞机风阻，提高飞机气动性能。LED型Ⅱ类编队灯通过外形结构设计，满足与小曲率曲面共形的要求，还需满足曲面匀光的要求。

2 照明系统设计

LED型Ⅱ类编队灯利用侧发光技术将LED芯片发出的点光源转化为面光源。由于Ⅱ类编队灯需与飞机曲面共形，如何在曲面条件下还能达到匀光的要求，是本次设计要解决的技术难点。

2.1 设计原理

如图1所示，侧发光LED芯片发出的光线从导光板侧边进入，入射光线在导光板内的传导过程中，如果没有遇到散射点就会形成全反射，沿着导光板内部向远处传导，若在底面遇到散射点，就会形成向各个角度的漫反射光，反光膜将底面出射的光线重新反射回导光板中。出射光自导光板正面射出，遇到扩散膜后散射形成面光源[3]。

图1 设计原理图Fig.1 Design principle

漫反射光的强弱与该位置的入射光强成正比，与散射点的面积也成正比。在入射光传播过程中，由于漫反射作用使得入射光的强度在逐渐减弱，到了另一端入射光的强度最小，为了保证整个面板的均匀度，靠近位于导光板光源入射的一侧的散射点细小偏圆形，且间距疏远，漫反射出来的光较少；位于导光板远离光源的散射点紧密且粗大，略呈椭圆形，反射出来的光较多。这些光经过复杂的融合后，实现整块导光板匀亮的效果。导光板散射点的示意图如图2所示。

图2 导光板散射点示意图Fig.2 Light guide plate scattering point diagram

2.2 光学设计

LED型Ⅱ类编队灯的光学设计通过合理的光源选型，进行光学器件设计和双模式共面设计，并结合测试计算和光学仿真的手段，以实现其亮度及有效发光面积等性能指标提升。同时，选择合适的光源封装和挠性材料，以满足结构外形设计要求，从而达到LED型Ⅱ类编队灯曲面匀光的要求。

1)光源选型。LED型Ⅱ类编队灯的光源选型主要基于两点来达到曲面匀光的要求：①合适的LED芯片封装，以满足结构外形要求；②LED芯片的发光颜色满足航空绿/红外光的要求。光源选择小尺寸、侧发光封装的LED，侧发光LED芯片与直发光LED芯片相比，设计结构更加紧凑；同时，小尺寸封装的LED配合进行超薄外形设计，更加适用于LED型Ⅱ类编队灯。

2)光学器件设计。根据侧发光的设计原理，使用导光板作为光学器件，其设计主要基于三点来达到曲面匀光的要求：合适的厚度，使发光效率与结构外形要求达到平衡；挠性材料，以满足结构外形要求；散射点设计，使之兼顾匀光效果和发光效率。

市面上导光板的常规厚度在3～5 mm。而本设计采用的导光板，厚度低于常规厚度，以满足超薄型结构需求。同时选用材料具有高强度、高弹性系数、使用温度范围广及耐高温可达到120 ℃以上的特性；并且采用吸塑二次成型工艺[4]，制成后可以在弯曲角度为30°时，匀光效果无明显变化(亮度均匀度下降不超过5%)，可以保证编队灯的曲面匀光效果。

导光板散射点的布点设计使用基于AutoCAD的Gtools LGP软件。通过Gtools软件来设计散射点的网点大小、形状以及网点分布的疏密程度[5]。使用speos软件对导光板组件进行光学仿真迭代[6]。并且仿真设计进一步结合实际效果对布点设计进行迭代，使布点设计兼顾匀光和高发光效率的要求。

3)双模式共发光面设计。为了充分利用编队灯有限的发光面积，LED型Ⅱ类编队灯将友好模式和隐蔽模式的发光面设置在同一个区域。由于绿光侧发光LED芯片与红外侧发光LED芯片的封装一致，发光面大小一致，通过同一个导光板组件将绿光和红外光两种不同颜色的光转化成清晰均匀的面光源。将绿光LED芯片和红外LED芯片交替排布，可以保证2个模式出光均匀。通过分路控制，实现同一发光面不同模式点亮。

2.3 结构设计

LED型Ⅱ类编队灯的结构设计通过整机级/部件级/组件级三级结构设计，以实现与飞机小曲率曲面共形，并且达到LED型Ⅱ类编队灯曲面匀光的要求。

1)整机级结构设计。LED型Ⅱ类编队灯的整体结构由光源部件和金属化安装孔组成。光源部件采用具有较大挠性的复合材料。而与飞机连接部位采用金属化孔的结构形式，加强了编队灯的安装强度。编队灯的整体结构不仅减轻了重量，还提升了安装强度和挠性，保证了编队灯能在一定曲率范围内弯曲，与飞机曲面共形。

2)部件级结构设计.光源部件作为整个编队灯的主体，由灯罩、导光板组件、LED光源组件等零组件组成。部件结构采用密封一体化设计，将导光板组件、LED光源组件包容在光源部件内部，使得光源部件形成一个完整的防水密封整体。同时，对光源部件进行超薄外形设计，让整个光源部件具有较大的挠性。

图3 LED型Ⅱ类编队灯电路原理框图Fig.3 The circuit of the LED type Ⅱ class formation lamp

3)组件级结构设计。导光板组件由导光板、扩散膜、反光膜通过不干胶粘接形成一个整体。这种结构可以避免灰尘等杂质进入内部，在点亮时形成黑斑或暗区，又解决了自由曲面反光膜褶皱的问题。同时控制组件整体厚度，以满足了超薄编队灯厚度的要求。

2.4 电路设计

LED型Ⅱ类编队灯的友好模式和隐蔽模式独立控制。由机外照明控制盒对编队灯的2种模式进行选择并供电，同时可进行亮度调节。每路通过防反电路对电路进行保护，通过限流电路来调整电流，从而调节LED的亮度，使编队灯的出光性能满足要求。电路原理框图如图3所示。

3 实物验证

3.1 功能性能验证

经过样件制作，LED型Ⅱ类编队灯可以实现友好模式及隐蔽模式两种工作状态。LED型Ⅱ类编队灯试制样件如图4所示。

图4 LED型Ⅱ类编队灯样件Fig.4 The sample of the LED type Ⅱ formation lamp

实测结果表明，LED型Ⅱ类编队灯试制样件的亮度指标较EL屏编队灯得到了显著的提升，相同外形尺寸下其有效发光面积可达原来的1.5倍以上，达到了预期的设计要求。

3.2 试验验证

试制样件主要完成了以下验证：

1)通过了高温试验、低温试验、温度-湿度-高度试验、加速度、振动及冲击试验。试验条件符合GJB 150.A相关试验要求，验证了LED型Ⅱ类编队灯在高温、低温、高湿和低气压下环境条件单独或综合的作用下，产品结构和性能不会发生失效；验证了装备承受预计使用加速度环境的能力以及在运输和使用过程中耐振动和耐不常发生的非重复冲击的能力，以确保在机械环境下产品结构和性能不发生失效；

2)通过了电磁兼容试验，试验条件符合GJB 151B相关试验要求，验证了LED型Ⅱ类编队灯在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。

试验结果表明，LED型Ⅱ类编队灯能够满足机外环境的使用需求。