Ⅱ類編隊(duì)燈的LED側(cè)發(fā)光照明設(shè)計(jì)

尹 靜，夏小春，徐海琴

(1.中國航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201101；2.中國人民解放軍空軍駐上海地區(qū)軍事代表室，上海 201101)

引言

編隊(duì)燈作為現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)必不可少的機(jī)外照明燈具，其作用是在飛機(jī)夜間編隊(duì)飛行時向鄰近飛機(jī)駕駛員提供清晰的有關(guān)長機(jī)姿態(tài)及方位的視覺信息。編隊(duì)燈分為Ⅰ類編隊(duì)燈和Ⅱ類編隊(duì)燈。兩者的主要區(qū)別為：Ⅰ類編隊(duì)燈的出光光型是點(diǎn)光源，Ⅱ類編隊(duì)燈的出光光型是面光源。由于Ⅰ類編隊(duì)燈容易使得飛行員產(chǎn)生自發(fā)運(yùn)動錯覺[1]，可能導(dǎo)致飛行員做出誤判斷。而Ⅱ類編隊(duì)燈以其發(fā)光面積大、出光均勻、厚度薄、可以與飛機(jī)小曲率曲面共形等優(yōu)點(diǎn)，目前大量應(yīng)用于國內(nèi)外飛機(jī)上。

傳統(tǒng)的Ⅱ類編隊(duì)燈使用場致發(fā)光屏(electro luminescence，EL)作為光源。EL屏編隊(duì)燈的最大表面亮度一般在60～100 cd/m2之間，亮度較低，其可被觀察的距離有限。由于EL屏的技術(shù)限制，增加其亮度的同時勢必會減少使用壽命，兩者難以達(dá)到平衡；且雙模式編隊(duì)燈的友好模式EL屏與隱蔽模式EL屏的發(fā)光面積各占用總發(fā)光面積的50%，有效發(fā)光面積小。在日益提高的照明需求下，EL屏編隊(duì)燈暴露出亮度低、有效發(fā)光面積小、壽命短等問題，已經(jīng)難以適應(yīng)越來越高的使用需求。

而LED作為新一代光源，具有亮度高、壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類照明系統(tǒng)中[2]。國外在研究使用LED作為光源的Ⅱ類編隊(duì)燈上取得了一定的成果。美國的霍尼韋爾公司研發(fā)的一款LED型Ⅱ類編隊(duì)燈，其厚度在12.7 mm左右，但由于產(chǎn)品的厚度較厚，在曲面共形方面存在一定困難，在實(shí)際使用中對飛機(jī)安裝面的要求較高。

因此，為了適應(yīng)越來越高的機(jī)外照明需求，研制一型以LED為光源、具備曲面勻光能力、兼具亮度及有效發(fā)光面積等性能指標(biāo)提升、與飛機(jī)小曲率曲面共形的Ⅱ類編隊(duì)燈，成為日益重要的技術(shù)課題。

1 設(shè)計(jì)要求

1)對光性能的要求。依據(jù)SAE APR5825A—2016及GJB 2020A—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，編隊(duì)燈友好模式的表面亮度值不低于51 cd/m2，隱蔽模式的輻亮度值不低于5.0×10-8W/(sr·cm2)，EL屏Ⅱ類編隊(duì)燈能夠滿足上述2個指標(biāo)要求。但由于用戶在實(shí)際使用時觀察距離增加，Ⅱ類編隊(duì)燈需相應(yīng)提高表面亮度和輻亮度來提升其可視性。LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的表面亮度及輻亮度設(shè)計(jì)值的確定，應(yīng)通過對不同遠(yuǎn)、近距離下各級表面亮度及輻亮度觀察效果的摸底。同時還需考慮用戶要求、飛機(jī)大小、安裝部位、裝機(jī)試驗(yàn)效果、用戶使用體驗(yàn)等影響因素，相應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)值。

2)對有效發(fā)光面積的要求。由于場致發(fā)光屏的發(fā)光原理和技術(shù)限制，在同一塊EL屏上無法實(shí)現(xiàn)既發(fā)綠光，又發(fā)紅外光的功能，因此EL屏編隊(duì)燈的有效發(fā)光面積已經(jīng)無法提高。但由于用戶在實(shí)際使用時觀察距離增加，LED型Ⅱ類編隊(duì)燈可以通過將友好模式和隱蔽模式共用發(fā)光面，在有限外形下提高有效發(fā)光面積來提升其可視性。

3)對結(jié)構(gòu)外形的要求。飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)采用的是流線形設(shè)計(jì)，編隊(duì)燈必須與飛機(jī)外表面曲面共形，有利于減小飛機(jī)風(fēng)阻，提高飛機(jī)氣動性能。LED型Ⅱ類編隊(duì)燈通過外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足與小曲率曲面共形的要求，還需滿足曲面勻光的要求。

2 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED型Ⅱ類編隊(duì)燈利用側(cè)發(fā)光技術(shù)將LED芯片發(fā)出的點(diǎn)光源轉(zhuǎn)化為面光源。由于Ⅱ類編隊(duì)燈需與飛機(jī)曲面共形，如何在曲面條件下還能達(dá)到勻光的要求，是本次設(shè)計(jì)要解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，側(cè)發(fā)光LED芯片發(fā)出的光線從導(dǎo)光板側(cè)邊進(jìn)入，入射光線在導(dǎo)光板內(nèi)的傳導(dǎo)過程中，如果沒有遇到散射點(diǎn)就會形成全反射，沿著導(dǎo)光板內(nèi)部向遠(yuǎn)處傳導(dǎo)，若在底面遇到散射點(diǎn)，就會形成向各個角度的漫反射光，反光膜將底面出射的光線重新反射回導(dǎo)光板中。出射光自導(dǎo)光板正面射出，遇到擴(kuò)散膜后散射形成面光源[3]。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Design principle

漫反射光的強(qiáng)弱與該位置的入射光強(qiáng)成正比，與散射點(diǎn)的面積也成正比。在入射光傳播過程中，由于漫反射作用使得入射光的強(qiáng)度在逐漸減弱，到了另一端入射光的強(qiáng)度最小，為了保證整個面板的均勻度，靠近位于導(dǎo)光板光源入射的一側(cè)的散射點(diǎn)細(xì)小偏圓形，且間距疏遠(yuǎn)，漫反射出來的光較少；位于導(dǎo)光板遠(yuǎn)離光源的散射點(diǎn)緊密且粗大，略呈橢圓形，反射出來的光較多。這些光經(jīng)過復(fù)雜的融合后，實(shí)現(xiàn)整塊導(dǎo)光板勻亮的效果。導(dǎo)光板散射點(diǎn)的示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)光板散射點(diǎn)示意圖Fig.2 Light guide plate scattering point diagram

2.2 光學(xué)設(shè)計(jì)

LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的光學(xué)設(shè)計(jì)通過合理的光源選型，進(jìn)行光學(xué)器件設(shè)計(jì)和雙模式共面設(shè)計(jì)，并結(jié)合測試計(jì)算和光學(xué)仿真的手段，以實(shí)現(xiàn)其亮度及有效發(fā)光面積等性能指標(biāo)提升。同時，選擇合適的光源封裝和撓性材料，以滿足結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)要求，從而達(dá)到LED型Ⅱ類編隊(duì)燈曲面勻光的要求。

1)光源選型。LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的光源選型主要基于兩點(diǎn)來達(dá)到曲面勻光的要求：①合適的LED芯片封裝，以滿足結(jié)構(gòu)外形要求；②LED芯片的發(fā)光顏色滿足航空綠/紅外光的要求。光源選擇小尺寸、側(cè)發(fā)光封裝的LED，側(cè)發(fā)光LED芯片與直發(fā)光LED芯片相比，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更加緊湊；同時，小尺寸封裝的LED配合進(jìn)行超薄外形設(shè)計(jì)，更加適用于LED型Ⅱ類編隊(duì)燈。

2)光學(xué)器件設(shè)計(jì)。根據(jù)側(cè)發(fā)光的設(shè)計(jì)原理，使用導(dǎo)光板作為光學(xué)器件，其設(shè)計(jì)主要基于三點(diǎn)來達(dá)到曲面勻光的要求：合適的厚度，使發(fā)光效率與結(jié)構(gòu)外形要求達(dá)到平衡；撓性材料，以滿足結(jié)構(gòu)外形要求；散射點(diǎn)設(shè)計(jì)，使之兼顧勻光效果和發(fā)光效率。

市面上導(dǎo)光板的常規(guī)厚度在3～5 mm。而本設(shè)計(jì)采用的導(dǎo)光板，厚度低于常規(guī)厚度，以滿足超薄型結(jié)構(gòu)需求。同時選用材料具有高強(qiáng)度、高彈性系數(shù)、使用溫度范圍廣及耐高溫可達(dá)到120 ℃以上的特性；并且采用吸塑二次成型工藝[4]，制成后可以在彎曲角度為30°時，勻光效果無明顯變化(亮度均勻度下降不超過5%)，可以保證編隊(duì)燈的曲面勻光效果。

導(dǎo)光板散射點(diǎn)的布點(diǎn)設(shè)計(jì)使用基于AutoCAD的Gtools LGP軟件。通過Gtools軟件來設(shè)計(jì)散射點(diǎn)的網(wǎng)點(diǎn)大小、形狀以及網(wǎng)點(diǎn)分布的疏密程度[5]。使用speos軟件對導(dǎo)光板組件進(jìn)行光學(xué)仿真迭代[6]。并且仿真設(shè)計(jì)進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際效果對布點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代，使布點(diǎn)設(shè)計(jì)兼顧勻光和高發(fā)光效率的要求。

3)雙模式共發(fā)光面設(shè)計(jì)。為了充分利用編隊(duì)燈有限的發(fā)光面積，LED型Ⅱ類編隊(duì)燈將友好模式和隱蔽模式的發(fā)光面設(shè)置在同一個區(qū)域。由于綠光側(cè)發(fā)光LED芯片與紅外側(cè)發(fā)光LED芯片的封裝一致，發(fā)光面大小一致，通過同一個導(dǎo)光板組件將綠光和紅外光兩種不同顏色的光轉(zhuǎn)化成清晰均勻的面光源。將綠光LED芯片和紅外LED芯片交替排布，可以保證2個模式出光均勻。通過分路控制，實(shí)現(xiàn)同一發(fā)光面不同模式點(diǎn)亮。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過整機(jī)級/部件級/組件級三級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)小曲率曲面共形，并且達(dá)到LED型Ⅱ類編隊(duì)燈曲面勻光的要求。

1)整機(jī)級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的整體結(jié)構(gòu)由光源部件和金屬化安裝孔組成。光源部件采用具有較大撓性的復(fù)合材料。而與飛機(jī)連接部位采用金屬化孔的結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)了編隊(duì)燈的安裝強(qiáng)度。編隊(duì)燈的整體結(jié)構(gòu)不僅減輕了重量，還提升了安裝強(qiáng)度和撓性，保證了編隊(duì)燈能在一定曲率范圍內(nèi)彎曲，與飛機(jī)曲面共形。

2)部件級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).光源部件作為整個編隊(duì)燈的主體，由燈罩、導(dǎo)光板組件、LED光源組件等零組件組成。部件結(jié)構(gòu)采用密封一體化設(shè)計(jì)，將導(dǎo)光板組件、LED光源組件包容在光源部件內(nèi)部，使得光源部件形成一個完整的防水密封整體。同時，對光源部件進(jìn)行超薄外形設(shè)計(jì)，讓整個光源部件具有較大的撓性。

圖3 LED型Ⅱ類編隊(duì)燈電路原理框圖Fig.3 The circuit of the LED type Ⅱ class formation lamp

3)組件級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。導(dǎo)光板組件由導(dǎo)光板、擴(kuò)散膜、反光膜通過不干膠粘接形成一個整體。這種結(jié)構(gòu)可以避免灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部，在點(diǎn)亮?xí)r形成黑斑或暗區(qū)，又解決了自由曲面反光膜褶皺的問題。同時控制組件整體厚度，以滿足了超薄編隊(duì)燈厚度的要求。

2.4 電路設(shè)計(jì)

LED型Ⅱ類編隊(duì)燈的友好模式和隱蔽模式獨(dú)立控制。由機(jī)外照明控制盒對編隊(duì)燈的2種模式進(jìn)行選擇并供電，同時可進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。每路通過防反電路對電路進(jìn)行保護(hù)，通過限流電路來調(diào)整電流，從而調(diào)節(jié)LED的亮度，使編隊(duì)燈的出光性能滿足要求。電路原理框圖如圖3所示。

3 實(shí)物驗(yàn)證

3.1 功能性能驗(yàn)證

經(jīng)過樣件制作，LED型Ⅱ類編隊(duì)燈可以實(shí)現(xiàn)友好模式及隱蔽模式兩種工作狀態(tài)。LED型Ⅱ類編隊(duì)燈試制樣件如圖4所示。

圖4 LED型Ⅱ類編隊(duì)燈樣件Fig.4 The sample of the LED type Ⅱ formation lamp

實(shí)測結(jié)果表明，LED型Ⅱ類編隊(duì)燈試制樣件的亮度指標(biāo)較EL屏編隊(duì)燈得到了顯著的提升，相同外形尺寸下其有效發(fā)光面積可達(dá)原來的1.5倍以上，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試制樣件主要完成了以下驗(yàn)證：

1)通過了高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、溫度-濕度-高度試驗(yàn)、加速度、振動及沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)條件符合GJB 150.A相關(guān)試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了LED型Ⅱ類編隊(duì)燈在高溫、低溫、高濕和低氣壓下環(huán)境條件單獨(dú)或綜合的作用下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能不會發(fā)生失效；驗(yàn)證了裝備承受預(yù)計(jì)使用加速度環(huán)境的能力以及在運(yùn)輸和使用過程中耐振動和耐不常發(fā)生的非重復(fù)沖擊的能力，以確保在機(jī)械環(huán)境下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能不發(fā)生失效；

2)通過了電磁兼容試驗(yàn)，試驗(yàn)條件符合GJB 151B相關(guān)試驗(yàn)要求，驗(yàn)證了LED型Ⅱ類編隊(duì)燈在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。

試驗(yàn)結(jié)果表明，LED型Ⅱ類編隊(duì)燈能夠滿足機(jī)外環(huán)境的使用需求。

4 結(jié)論

LED側(cè)發(fā)光照明設(shè)計(jì)在Ⅱ類編隊(duì)燈中的成功應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)光源場致發(fā)光屏的局限性，達(dá)到了曲面勻光的效果，滿足了可視性提高的使用需求。LED側(cè)發(fā)光技術(shù)首次在國內(nèi)機(jī)外照明系統(tǒng)中得以應(yīng)用，取得了滿意的照明效果。