一种与夜视成像系统兼容的LED光源及其照明系统

摘要

本发明针对目前与夜视成像系统兼容的光源均为一般普通光源加上滤色片或滤膜制造而成所存在的研制过程复杂，成本高，最终效果往往不理想的问题，发明一种直接利用彩色LED配置而得到的成本低、配置方便的与夜视成像系统兼容的光源，同时结合该光源的特点制造出相应的照明系统，它通过采用两种或两种以上设计选定的不同波长的LED发光管进行混合、调节亮度比例，从而得到需求的各种夜视兼容光源。充分利用现有的成熟LED技术及其产品，以较低的成本设计制造出了以往需要很高成本、甚至需要特制的滤色片或涂层来产生的满足夜视成像系统兼容标准的特殊光源。

说明书

技术领域

本发明涉及特殊照明用光源和光学系统，尤其是一种利用合成光源代替滤色光源所得的夜视兼容光源及其照明系统，具体地说是一种与夜视成像系统兼容的LED光源及其照明系统。

背景技术

目前，在大多数情况下，航空机载设备的光源、指示灯、显示器均要求与夜视成像系统(NVIS)兼容，同时对光源和指示灯的光谱分布特性、亮度、色度辐亮度均有极其严格的要求。传统的与NVIS兼容的光源(或显示器背光源)一般是通过特制的滤色片、涂层或镀层来滤除一定波长以上的长波长光谱，去除长波长光谱的能量的方法来设计制造的。滤色片、涂层或镀层是通过材料中的原子或分子本身对光谱中特殊的波长吸收而滤除一定范围内的光谱，其制造复杂，成本高，最终效果往往不理想。

某些与NVIS兼容的光源对光谱的要求举例如图1所示；不同要求的夜视兼容光源如绿A标准光源，λ2大约为540--550nm，λ1大约为520--535nm，色坐标在CIE 1976 UCS图谱中为u’＝0.088，v’＝0.543，允差r＝0.037。对于与NVIS兼容的单色显示器，亮度为1.713cd/m²时，辐亮度要求NR_A≤1.7×10^-10W/Sr·cm²；NR_B≤1.6×10^-10W/Sr·cm²；

对于彩色显示器的夜视白色光源，λ2大约为625--635nm，λ1大约为605--620nm，色坐标在CIE 1976 UCS图谱中为u’＝0.190，v’＝0.490，允差r＝0.04。对于与NVIS兼容彩色显示器，亮度为1.713cd/m²时，辐亮度要求NR_A≤2.3×10^-9W/Sr·cm²，NR_B≤2.2×10^-9W/Sr·cm²。

NR_A，NR_B分别是A、B类NVIS设备对辐亮度的要求。

有关对夜视成像系统(NVIS)兼容的航空机载设备照明、指示及显示光源详细要求及技术说明，NR_A， NR_B计算方法等均可参见GJB 1394-92《与夜视成像系统兼容的飞机内部照明》。

与此同时作为目前十分成熟的发光LED产品具有以下技术优点：

1、批次产品波长一致性好，主峰波长误差可以控制在±5nm以内。便于保证夜视兼容光源的主波长的一致性和准确性。

2、光谱能量分布相对波长集中，一般产品约99.9％的能量集中在主峰波长的±20nm之内。其能量分布下降曲线非常类似理想滤色片的截止曲线。如图2；

3、亮度、波长对温度稳定性好，在-40℃-+80℃范围内，亮度相对常温变化率≤-15％，波长相对常温变化量±5nm。便于保证夜视兼容光源的产品环境稳定特性。

4、有较完整的产品系列可供设计选择，从紫外到红外，包括可见光范围内的LED产品在技术上已经成熟，便于夜视兼容光源的产品设计。

但据申请人所知目前将上述LED的优良性能和公知的配色原理设计配置的用于与夜视成像系统兼容的兼容光源的技术尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对目前与夜视成像系统兼容的光源均为一般光源加上滤色片或滤膜制造而成所存在的研制过程复杂，成本高，最终效果往往不理想的问题，发明一种利用彩色LED配置而得到的成本低、结构配置简单方便的与夜视成像系统兼容的光源，同时结合该光源的特点制造出相应的照明系统。

本发明的技术方案是：

一种与夜视成像系统兼容的光源，其特征是它由以下方法配置形成：

a、至少选取两种波峰波长不同，且均小于夜视成像系统特征波长λ₁的彩色LED发光二极管；

b、根据CIE 1976 UCS图谱颜色分布和配色一般规则以及夜视成像系统的要求选择彩色LED发光二极管的颜色；

c、使所选择的不同颜色的彩色LED发光管与驱动电路相连，使其中的每种颜色的发光二极管的亮度可调；

d、分别调整各种颜色的LED发光二极管的亮度及其比例，以使各颜色LED发光二极管混色后的亮度、色坐标和辐亮度均满足夜视成像系统的要求，即得本发明的夜视兼容光源。

一种利用前述所得的LED夜视兼容光源制造的与夜视成像系统兼容的照明系统，其特征是在导光板(1)的侧边上安装有若干组由彩色LED发光二极管发光组(2)组成的兼容光源，每组兼容光源距导向板(1)侧边的距离L1应保证混色充分，所述的兼容光源LED发光二极管发光组(2)的数量由要求的导光板(1)总亮度、每个夜视兼容光源中的彩色LED发光组(2)的单组发光亮度决定。(见图5)。

在导光板(1)的其他一侧或二侧上安装有白色LED，它构成了本发明的单色或彩色液晶显示器用的能与夜视成像系统兼容的照明系统，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要(见图6)。

在导光板(1)底面布置有高亮度白色LED或CCFL灯管，它也构成了本发明的单色或彩色液晶显示器用的能与夜视成像系统兼容的照明系统，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要(见图7)。

一种利用前述的IED夜视兼容光源制造的与夜视成像系统兼容的照明系统，其特征是在发光区域的底面上安装有夜视兼容光源和白色LED，它同样构成了本发明的单色或彩色液晶显示器用的能与夜视成像系统兼容的照明系统，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要(见图8)。

本发明具有以下优点：

本发明具有低成本、设计周期短、应用范围广的优点，可用于制造与夜视成像系统(NVIS)兼容的航空机载、车载、船载或手持设备照明、指示及显示光源。

本发明还具有寿命长，安装维修方便的优点。

附图说明

图1是与NVIS兼容的光源对光谱的相对分布要求，λ1为夜视兼容光源特征光谱波峰波长，λ2为相对主能量比为1×10^-3的能量波长。

图2是典型LED光谱分布图，约99.9％的能量集中在主峰波长的±20nm之内。λ3为LED能量光谱波峰波长，λ4为相对主峰能量比为1×10^-3的能量波长。

图3是两种LED混合后的光谱分布图。λ5为影响辐亮度指标的较长波长的LED能量光谱波峰波长，λ6为相对主峰能量比为1×10^-3的能量波长。

图4是三种LED混合后的光谱分布图，三色为R(红)、G(绿)、B(蓝)；

图5是导光面板的混色光路示意图。

图6是侧背光方式单色或彩色液晶显示器背光的夜视兼容混色光路示意图。

图7是底背光和侧背光混合的方式单色或彩色液晶显示器夜视兼容背光光路示意图。

图8是底背光方式全LED发光方式单色或彩色液晶显示器背光的夜视兼容混色光路示意图。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图2-8所示。

一种与夜视成像系统兼容的LED光源，它由以下方法配置形成：

a、至少选取两种波峰波长不同，且均小于夜视成像系统特征波长λ₁的彩色LED发光二极管；

b、根据CIE 1976 UCS图谱颜色分布和配色一般规则以及夜视成像系统的要求选择彩色LED发光二极管的颜色；

c、使所选择的不同颜色的彩色LED发光管与驱动电路相连，使其中的每种颜色的发光二极管的亮度可调；

d、分别调整各种颜色的LED发光二极管的亮度及其比例，以使各颜色LED发光二极管混色后的亮度、色坐标和辐亮度均满足夜视成像系统的要求，即得本发明的夜视兼容光源。

一种利用前述所得的夜视兼容光源制造的与夜视成像系统兼容的照明系统，在导光板(1)的一侧上安装有若干组由彩色LED发光二极管(2)发光组组成的兼容光源，每组兼容光源距导向板(1)侧边的距离L1应保证混色充分，所述的兼容光源的数量由导光板(1)的边长、每个兼容光源中的彩色LED发光二极管(2)发光组之间的间距L2及其发射角R决定，见图5，图中L1是混光区距离(一般取值范围为5-10mm)，太小会混色不充分，颜色均匀性差。1为导光面板的导光板，将混色后的光线传导到需要发光的部位。2为两个或两个不同颜色的LED组成的发光组，相互距离要尽可能的小。L3为两组混光LED距离，根据L1和LED发射角R计算出最大L3，L3尽可能小，以保证显示或照明的颜色均匀性和亮度。

为了使单色或彩色液晶显示器用的光源能与夜视成像系统兼容，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要可采用图6所示的结构，即在导光板2的另一侧或二侧上安装有白色LED，图6中在导光板1的某一个侧面布置LED夜视兼容光源，在另一侧面或一个以上的侧面布置白色LED就形成了能兼顾白天和晚上使用的显示器背光的混色光路。2为两个或两个不同颜色的LED组成的发光组，3为白色LED。

同样可在导光板1底面布置有高亮度白色LED或CCFL灯管，它也构成了本发明的单色或彩色液晶显示器用的能与夜视成像系统兼容的照明系统，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要，见图7，图7中在导光板1的一个侧面布置LED夜视兼容光源，在底面布置高亮度白色LED或CCFL灯管就形成了能兼顾白天高亮度和晚上使用的机载液晶显示器背光。1为导光板，2为两个或两个不同颜色的LED组成的发光组，3为白色LED，4为CCFL灯管(相对白色LED的另一种设计方案)，5为反射膜及灯腔组件，6为灯腔及反射膜组件，7为光学膜组件为反射膜及灯腔组件。

具体实施时还可直接在发光区域的底面上安装有夜视兼容光源和白色LED，它同样构成了本发明的单色或彩色液晶显示器用的能与夜视成像系统兼容的照明系统，既能满足夜视需要，也能满足白天使用需要，见图8，图8中直接在导光板的底面的PCB板上布置LED夜视兼容光源和白色LED，形成能兼顾白天高亮度和晚上使用的液晶显示器背光。2为混色LED夜视兼容光源发光组，7为光学膜组件，6为反射膜及灯腔组件，3为高亮度白色LED。

综上所述通过对不同要求的夜视兼容光源进行光谱分析，利用LED波长极窄的光谱分布特性、波长稳定性及其亮度调节控制特性，采用两种或两种以上不同波长的LED发光管进行混合、调节亮度大小(混色比例)，从而得到需求的各种夜视兼容光源。

这些特殊光源不仅对色度提出要求，而且对发光亮度、光谱辐亮度提出了严格的量化要求。由于NVIS对其工作光谱范围内一定波长范围的光谱敏感度极高，与NVIS兼容的光源(或显示器)不能包含这些波长范围内的光谱，对应的这些光谱的能量。

如图3、图4采用本方法有选择的用两种或三种LED混合成设备指示灯、报警灯或显示器需要的背光源光谱，并且不包含NVIS敏感的光谱，能得到很好的夜视兼容光源光谱特性，简化设计方法和产品研制周期。本发明也可用于其它对光源光谱特性、辐亮度及亮度、电磁兼容性能有准确严格要求的光源的设计和制造，如夜航指示照明灯、报警灯、各类单色或彩色显示器背光源、导光面板等。

基本设计方法

1、LED选择，单色LED能量光谱相对分布一般如图2所示，对几种不同的常用LED光谱分布线结合GJB 1394-92 《与夜视成像系统兼容的飞机内部照明》上的计算方法建立相应的亮度、NR_A或NR_B辐亮度EXCEL数据库，分析需设计的夜视兼容光源，亮度要求，色坐标要求，辐亮度要求，选择特定波长的两种或三种LED进行混合光谱数据计算分析，如果NR_A或NR_B辐亮度超标，利用相邻波长同色LED光谱特性相似的原理，调整有关LED主峰波长，修正特征数据模拟计算。最终计算出满足设计要求的LED波长及其对应亮度比例。对本发明而言，最关键的是较长波长的LED选择，它对NR_A或NR_B辐亮度计算结果的影响极大，另外一个或两个波长的LED主要是配合长波长LED混色形成所需要的光源色度(色坐标)。对满足夜视兼容要求的彩色显示器，其夜视白色光源必须有红、绿、蓝三色LED。对满足绿A标准夜视兼容要求的单色显示器，其夜视绿光源必须有绿、蓝两色LED。NR_A或NR_B积分计算方法参见GJB 1394-92《与夜视成像系统兼容的飞机内部照明》。

2、配色基本方法依据CIE 1976 UCS图谱颜色分布和配色一般规则，两原色可配颜色范围较小，配制光源色彩在该两色LED波长的相关线上；三原色或四原色法可配制NTSC范围内70％以上的颜色光源。

3、对选定的LED设计有关驱动电路，控制其亮度比例。一般有恒压限流法、升压IC恒流驱动法；光源的总亮度可以用PWM或可调电流源调节方法予以调节，但混色LED相互的亮度比一经确定必须保证不变，否则不仅配色颜色有变化，而且NR_A或NR_B光谱辐亮度的结果会有变化，甚至超标。有关LED驱动电路本发明不予详述。

4、设计有关光路满足不同产品的设计要求，如图5、图6、图7图8。

本发明未详述部分可参照相关设计手册和标准加以确定。