Ⅱ類編隊燈的LED側發光照明設計

尹 靜，夏小春，徐海琴

(1.中國航空工業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軍事代表室，上海 201101)

引言

編隊燈作為現代戰機必不可少的機外照明燈具，其作用是在飛機夜間編隊飛行時向鄰近飛機駕駛員提供清晰的有關長機姿態及方位的視覺信息。編隊燈分為Ⅰ類編隊燈和Ⅱ類編隊燈。兩者的主要區別為：Ⅰ類編隊燈的出光光型是點光源，Ⅱ類編隊燈的出光光型是面光源。由于Ⅰ類編隊燈容易使得飛行員產生自發運動錯覺[1]，可能導致飛行員做出誤判斷。而Ⅱ類編隊燈以其發光面積大、出光均勻、厚度薄、可以與飛機小曲率曲面共形等優點，目前大量應用于國內外飛機上。

傳統的Ⅱ類編隊燈使用場致發光屏(electro luminescence，EL)作為光源。EL屏編隊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屏的技術限制，增加其亮度的同時勢必會減少使用壽命，兩者難以達到平衡；且雙模式編隊燈的友好模式EL屏與隱蔽模式EL屏的發光面積各占用總發光面積的50%，有效發光面積小。在日益提高的照明需求下，EL屏編隊燈暴露出亮度低、有效發光面積小、壽命短等問題，已經難以適應越來越高的使用需求。

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

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

1 設計要求

1)對光性能的要求。依據SAE APR5825A—2016及GJB 2020A—2012標準要求，編隊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類編隊燈能夠滿足上述2個指標要求。但由于用戶在實際使用時觀察距離增加，Ⅱ類編隊燈需相應提高表面亮度和輻亮度來提升其可視性。LED型Ⅱ類編隊燈的表面亮度及輻亮度設計值的確定，應通過對不同遠、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、飛機大小、安裝部位、裝機試驗效果、用戶使用體驗等影響因素，相應調整設計值。

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

3)對結構外形的要求。飛機的外形設計采用的是流線形設計，編隊燈必須與飛機外表面曲面共形，有利于減小飛機風阻，提高飛機氣動性能。LED型Ⅱ類編隊燈通過外形結構設計，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 照明系統設計

LED型Ⅱ類編隊燈利用側發光技術將LED芯片發出的點光源轉化為面光源。由于Ⅱ類編隊燈需與飛機曲面共形，如何在曲面條件下還能達到勻光的要求，是本次設計要解決的技術難點。

2.1 設計原理

如圖1所示，側發光LED芯片發出的光線從導光板側邊進入，入射光線在導光板內的傳導過程中，如果沒有遇到散射點就會形成全反射，沿著導光板內部向遠處傳導，若在底面遇到散射點，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光板中。出射光自導光板正面射出，遇到擴散膜后散射形成面光源[3]。

圖1 設計原理圖Fig.1 Design principle

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

圖2 導光板散射點示意圖Fig.2 Light guide plate scattering point diagram

2.2 光學設計

LED型Ⅱ類編隊燈的光學設計通過合理的光源選型，進行光學器件設計和雙模式共面設計，并結合測試計算和光學仿真的手段，以實現其亮度及有效發光面積等性能指標提升。同時，選擇合適的光源封裝和撓性材料，以滿足結構外形設計要求，從而達到LED型Ⅱ類編隊燈曲面勻光的要求。

1)光源選型。LED型Ⅱ類編隊燈的光源選型主要基于兩點來達到曲面勻光的要求：①合適的LED芯片封裝，以滿足結構外形要求；②LED芯片的發光顏色滿足航空綠/紅外光的要求。光源選擇小尺寸、側發光封裝的LED，側發光LED芯片與直發光LED芯片相比，設計結構更加緊湊；同時，小尺寸封裝的LED配合進行超薄外形設計，更加適用于LED型Ⅱ類編隊燈。

2)光學器件設計。根據側發光的設計原理，使用導光板作為光學器件，其設計主要基于三點來達到曲面勻光的要求：合適的厚度，使發光效率與結構外形要求達到平衡；撓性材料，以滿足結構外形要求；散射點設計，使之兼顧勻光效果和發光效率。

市面上導光板的常規厚度在3～5 mm。而本設計采用的導光板，厚度低于常規厚度，以滿足超薄型結構需求。同時選用材料具有高強度、高彈性系數、使用溫度范圍廣及耐高溫可達到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%)，可以保證編隊燈的曲面勻光效果。

導光板散射點的布點設計使用基于AutoCAD的Gtools LGP軟件。通過Gtools軟件來設計散射點的網點大小、形狀以及網點分布的疏密程度[5]。使用speos軟件對導光板組件進行光學仿真迭代[6]。并且仿真設計進一步結合實際效果對布點設計進行迭代，使布點設計兼顧勻光和高發光效率的要求。

3)雙模式共發光面設計。為了充分利用編隊燈有限的發光面積，LED型Ⅱ類編隊燈將友好模式和隱蔽模式的發光面設置在同一個區域。由于綠光側發光LED芯片與紅外側發光LED芯片的封裝一致，發光面大小一致，通過同一個導光板組件將綠光和紅外光兩種不同顏色的光轉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，實現同一發光面不同模式點亮。

2.3 結構設計

LED型Ⅱ類編隊燈的結構設計通過整機級/部件級/組件級三級結構設計，以實現與飛機小曲率曲面共形，并且達到LED型Ⅱ類編隊燈曲面勻光的要求。

1)整機級結構設計。LED型Ⅱ類編隊燈的整體結構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合材料。而與飛機連接部位采用金屬化孔的結構形式，加強了編隊燈的安裝強度。編隊燈的整體結構不僅減輕了重量，還提升了安裝強度和撓性，保證了編隊燈能在一定曲率范圍內彎曲，與飛機曲面共形。

2)部件級結構設計.光源部件作為整個編隊燈的主體，由燈罩、導光板組件、LED光源組件等零組件組成。部件結構采用密封一體化設計，將導光板組件、LED光源組件包容在光源部件內部，使得光源部件形成一個完整的防水密封整體。同時，對光源部件進行超薄外形設計，讓整個光源部件具有較大的撓性。

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

3)組件級結構設計。導光板組件由導光板、擴散膜、反光膜通過不干膠粘接形成一個整體。這種結構可以避免灰塵等雜質進入內部，在點亮時形成黑斑或暗區，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，以滿足了超薄編隊燈厚度的要求。

2.4 電路設計

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

3 實物驗證

3.1 功能性能驗證

經過樣件制作，LED型Ⅱ類編隊燈可以實現友好模式及隱蔽模式兩種工作狀態。LED型Ⅱ類編隊燈試制樣件如圖4所示。

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

實測結果表明，LED型Ⅱ類編隊燈試制樣件的亮度指標較EL屏編隊燈得到了顯著的提升，相同外形尺寸下其有效發光面積可達原來的1.5倍以上，達到了預期的設計要求。

3.2 試驗驗證

試制樣件主要完成了以下驗證：

1)通過了高溫試驗、低溫試驗、溫度-濕度-高度試驗、加速度、振動及沖擊試驗。試驗條件符合GJB 150.A相關試驗要求，驗證了LED型Ⅱ類編隊燈在高溫、低溫、高濕和低氣壓下環境條件單獨或綜合的作用下，產品結構和性能不會發生失效；驗證了裝備承受預計使用加速度環境的能力以及在運輸和使用過程中耐振動和耐不常發生的非重復沖擊的能力，以確保在機械環境下產品結構和性能不發生失效；

2)通過了電磁兼容試驗，試驗條件符合GJB 151B相關試驗要求，驗證了LED型Ⅱ類編隊燈在電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。

試驗結果表明，LED型Ⅱ類編隊燈能夠滿足機外環境的使用需求。

4 結論

LED側發光照明設計在Ⅱ類編隊燈中的成功應用，突破了傳統光源場致發光屏的局限性，達到了曲面勻光的效果，滿足了可視性提高的使用需求。LED側發光技術首次在國內機外照明系統中得以應用，取得了滿意的照明效果。