СВЕТОДИОДНОЕ ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
LIGHT-EMITTING DIODE ILLUMINATION DEVICE

Изобретение относится к осветительному устройству, предназначенному специально для подсветки жидкокристаллических индикаторов.
2
2
Подсветка жидкокристаллических индикаторов для авиационного радиоэлектронного оборудования обычно выполняется с помощью осветительных устройств, содержащих люминесцентные лампы. Эти индикаторы создают яркости порядка 1000 кандел/м, необходимые для видимости в условиях дневного освещения, иногда при ярком солнечном свете. Кроме того, степень освещения осветительным устройством должна иметь возможность регулировки, чтобы сильно снижать его яркость во время ночных полетов, например, до уровней порядка 0,1 кандел/м.
На фиг.1a, 1b и 1c показаны различные виды осветительного устройства, соответствующие предшествующему уровню техники, основанному на люминесцентных лампах.
На фиг.1a показан вид в разрезе осветительного устройства, соответствующего предшествующему уровню техники и основанного на люминесцентных лампах. Корпус устройства на фиг.1a имеет прямоугольную форму и содержит кожух 10, имеющий основание 12 с окном 14 напротив основания 12, для подсветки жидкокристаллического индикатора 16.
Основание 12 кожуха 10 имеет отражатель 20 и матрицу 22 люминесцентных ламп, параллельную основанию кожуха, и расположенный поперек окна 14 рассеиватель 24 света. Отражатель 20 имеет известную форму, так чтобы лучи света r, излучаемые люминесцентными лампами, были направлены на рассеиватель 24 света, равномерно освещающий жидкокристаллический индикатор.
Корпус осветительного устройства дополнительно содержит волновод 30 в форме пластины с двумя параллельными лицевыми поверхностями 32, 34 и гранями 36. Лицевая поверхность 32, обращенная к отверстию 14 корпуса, содержит рассеивающую структуру 38 для рассеивания света, создаваемого боковой люминесцентной лампой 40, освещающей одну из граней световода.
На фиг.1b показан вид сверху на корпус, представленный на фиг.1а, где видно крепление боковой люминесцентной лампы 40 на грани 36 световода 30, обладающего рассеивающей структурой 38 на лицевой поверхности 32, обращенной в направлении жидкокристаллического индикатора.
На фиг.1c показан частичный разрез одного из ребер световода, освещаемого боковой люминесцентной лампой 40, где показан путь световых лучей I, рассеиваемых лицевой поверхностью 32 световода, имеющего рассеивающую структуру 38.
Когда освещенность окружающей среды велика, например в дневное время, матрица 22 люминесцентных ламп включена, создавая высокий уровень освещенности для жидкокристаллического индикатора. Ночью освещение должно быть гораздо ниже. Матрица люминесцентных ламп поэтому выключается и включена только единственная боковая люминесцентная лампа 40, создающая низкий уровень света, рассеиваемого световодом (или волноводом) 30 через рассеиватель 24 в направлении жидкокристаллического индикатора 16.
Кроме того, диапазон изменения интенсивности света, обеспечиваемый осветительным устройством, может быть расширен посредством управления электропитанием, подводимым к лампам. Для этой цели питающее напряжение люминесцентных ламп имеет форму прямоугольных пульсов с частотой в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен герц. Питание, подаваемое на лампы, может регулироваться путем изменения скважности прямоугольных импульсов.
Величина яркости осветительных устройств на основе люминесцентных ламп является удовлетворительной для освещения жидкокристаллических индикаторов, предназначенных, в частности, для авиационного электронного оборудования. Однако такие осветительные устройства имеют большой объем и требуют регулярного обслуживания из-за определенной продолжительности срока службы люминесцентных ламп.
Как известно, сегодня для создания осветительных устройств вместо люминесцентных ламп используют светоизлучающие диоды или светодиоды. Прогресс в развитии светодиодов позволяет создавать светодиодные осветительные устройства, которые, по сравнению с люминесцентными осветительными устройствами, обладают меньшими габаритами и меньшей стоимостью, в то же время по эффективности и яркости света приближаясь к люминесцентным лампами.
На фиг.2a показано устройство для освещения световода 40, содержащее светодиоды.
Устройство на фиг.2a содержит два ряда Ra1, Rb2 светодиодов Lnm, подключенных проводами к печатной плате 42. Каждый ряд Ra1, Ra2 имеет семь светодиодов, соединенных последовательно (n является номером ряда, 1 или 2, и m является числом светодиодов в каждом ряду, от 1 до 7). Ряды светодиодов выравнены относительно друг друга вдоль одной из граней B1 световода 40 в форме тонкой пластины, имеющей две противоположные основные лицевые поверхности и четыре грани B1, B2, B3, B4, которые определяют размеры пластины.
Как показано для корпуса на фиг.1а, световод 40 имеет на одной из лицевых поверхностей 44 оптическую структуру 50 для рассеивания света в световоде.
Световод 40 передает свет, создаваемый рядами Ra1, Ra2 светодиодов L11, … L17 и L21, … L27, присоединенных к его грани B1, который при распространении в световоде рассеивается его оптической структурой 50 равномерно по всей лицевой поверхности 44 световода, как уже описывалось выше.
Каждый ряд Ra1, Ra2 светодиодов подключен к источнику электропитания S1, для ряда Ra1, и к источнику электропитания S2, для ряда Ra2, соответственно.
На фиг.2b показана электрическая схема подключения рядов диодов Ra1 и Ra2, показанных на фиг.2a, к их соответствующим источникам электропитания S1 и S2.
Осветительные устройства, соответствующие предшествующему уровню техники, показанные на фиг.2a и 2b, имеющие источник света на основе светодиодов, имеют, однако, тот недостаток, что в случае выхода из строя диода или источника электропитания теряется равномерность яркости на освещаемой поверхности.
Это происходит потому, что в результате неисправности одного из источников электропитания S1, S2 или при выключении одного из диодов ряда светодиодов, происходит потеря освещения на половине грани (B1) световода корпуса и изменяется яркость, соответствующая освещенной части индикатора. Изменение яркости осветительного устройства и, следовательно, жидкокристаллического индикатора, который он освещает, может снижать четкость показаний контрольно-измерительных приборов на борту воздушного судна. Это может быть очень неприятно для пилота.
Чтобы смягчить недостатки светодиодных осветительных устройств, соответствующих предшествующему уровню техники, изобретение предлагает осветительное устройство, предназначенное, главным образом, для подсветки жидкокристаллических индикаторов, а именно, осветительное устройство, содержащее:
- световод в форме тонкой пластины, имеющей две противоположные основные лицевые поверхности и, по меньшей мере, две грани, причем световод имеет светорассеивающую оптическую структуру на одной из лицевых поверхностей;
- светодиоды, установленные в линию, по меньшей мере, на одной из граней световода, причем свет, излучаемый светодиодами, которые освещают световод через грань, рассеивается этой лицевой поверхностью световода, имеющей оптическую структуру;
отличающийся тем, что светодиоды, размещенные вдоль каждой кромки световода, устанавливаются, по меньшей мере, в два ряда и таким способом, что за светодиодом в одном ряду, питающимся от источника электропитания, сразу следует светодиод другого ряда, питающийся от другого источника электропитания.
В первом варианте, осветительное устройство, соответствующее изобретению, содержит, по меньшей мере, один фотодатчик, обеспечивающий сигнал интенсивности света, соответствующий свету, излучаемому осветительным устройством. Данные об интенсивности света с выхода фотодатчика передаются на устройство управления или сервоуправления яркостью осветительного устройства.
Во втором варианте осветительного устройства, соответствующего изобретению, светодиоды, по меньшей мере, одной из ветвей (или рядов) излучают свет со спектром, отличным от спектра других ветвей.
В третьем варианте, осветительное устройство, соответствующее изобретению, содержит три фотодатчика, снабженных цветовыми фильтрами для приема светового излучения осветительного устройства в красном, зеленом и синем цветах, чтобы создавать сигналы для хроматически сбалансированных рядов светодиодов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения осветительное устройство содержит световод прямоугольной формы, имеющий четыре грани и восемь рядов светодиодов, причем одна пара рядов диодов освещает соответствующую грань световода.
Основная цель настоящего изобретения состоит в минимизации изменения равномерности освещения, обеспечиваемого осветительным устройством в случае выхода из строя одного или более рядов светодиодов или источников электропитания для светодиодов.
Другая цель изобретения состоит в поддержании достаточной яркости для освещения жидкокристаллического индикатора, особенно в случае выхода из строя одного или более рядов светодиодов осветительного устройства.
Изобретение будет более понятно с помощью примерных вариантов осуществления осветительных устройств, соответствующих изобретению, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1а, 1b и 1c - уже были описаны и показывают различные виды осветительного устройства, соответствующего предшествующему уровню техники и основанного на люминесцентных лампах;
- фиг.2a - устройство для освещения световода, содержащее светодиоды;
- фиг.2b - электрическая схема подключения рядов диодов Ra1 и Ra2, показанных на фиг.2a, к их соответствующим источникам электропитания S1 и S2;
- фиг.3a и 3b - вид в разрезе и вид сверху на осветительное устройство, соответствующее изобретению, соответственно;
- фиг.3c - схема подключения светодиодов осветительного устройства на фиг.3b;
- фиг.4 - первый вариант осветительного устройства соответствующего изобретению;
- фиг.5 - упрощенная схема, представляющая сервоуправление осветительного устройства, имеющего ту же самую конструкцию, что и у показанного на фиг.4, которое содержит фотоэлектрический элемент;
- фиг.6 - упрощенная схема, представляющая сервоуправление светом, излучаемым осветительным устройством, соответствующим изобретению, которое содержит три фотоэлектрических датчика;
- фиг.7a, 7b и 7c - показывают частичные разрезы вариантов осуществления осветительных устройств, соответствующих изобретению, совместимых с ночным видением; и
- фиг.8 - пример осветительного устройства, содержащего конструкцию из двух пакетов светодиодов и световодов.
На фиг.3a и 3b показаны вид в разрезе и вид сверху осветительного устройства, соответствующего изобретению, соответственно. Осветительное устройство на фиг.3a и 3b содержит кожух 50, имеющий основание 52 и окно 54 напротив основания 52 кожуха для подсветки жидкокристаллического индикатора 56; печатную плату 60, параллельную основанию кожуха, со стороны основания кожуха 50; и световод 62, имеющий на одной из лицевых поверхностей 64, обращенных к основанию 52 кожуха, оптическую структуру 70 для рассеивания света, распространяющегося в световоде.
Печатная плата 60 имеет, на одной из своих поверхностей 72, со стороны световода, отражатель 74 для отражения в окно 54 (лучи rf) света (лучи rd), рассеиваемого оптической структурой 70 световода.
Осветительное устройство на фиг.3a дополнительно содержит со стороны окна 54 устройства рассеиватель 75 в форме пластины, параллельной основанию кожуха и покрывающей все устройство.
Печатная схема осветительного устройства на фиг.3, соответствующего изобретению, содержит восемь рядов Rb1, Rb2, … Rb8, по семь светодиодов Lnm, соединенных последовательно, выравненных попарно на каждом из ребер B1, B2, B3, B4 световода 60, соответственно, ряды Rb1 и Rb2 освещают грань В1, ряды Rb3 и Rb4 освещают грань B2, ряды Rb5 и Rb6 освещают грань B3 и ряды Rb7 и Rb8 освещают грань B4.
Каждый из светодиодов обозначен как Lnm, где n - номер ряда от 1 до 8, и m - число светодиодов в каждом ряду, от 1 до 7 в данном примере варианта осуществления, то есть, L11, L12, … L17 для ряда R1; L21, L22, … L27 для ряда R2 и так далее до светодиодов L81, L82, … L87 для ряда R8.
Каждый из рядов Rb1, Rb2, … R8 светодиодов питается от независимого источника электропитания S1, S2, … S8, соответственно, и, согласно главному признаку изобретения, для данной грани световода за светодиодом Lnm в ряду Rbn, питаемом источником электроэнергии, немедленно следует светодиод L(n+1)m в другом ряду Rb(n+1), питаемый другим источником электропитания. Таким образом, например, светодиоды в рядах Rb1 и Rb2 чередуются таким образом, что за светодиодом L11 в ряду Rb1 немедленно следует светодиод L21 в ряду Rb2, а за ним следует светодиод L12 в ряду Rb1 и так далее до последнего светодиода L28 в ряду R2, завершающем освещение грани B1 световода. Другие грани B2, B3 и B4 имеют светодиоды других ветвей, Rb3, Rb4; Rb5, Rb6; и Rb7, Rb8, соответственно, в той же самой конфигурации.
На фиг.3c показаны схемы для подключения светодиодов Lnm осветительного устройства, показанного на фиг.3b, к соответствующему источнику электропитания S1-S8.
Когда размер осветительного устройства большой, грань световода может иметь больше одного ряда выравненных диодов.
На фиг.4 показан первый вариант осветительного устройства, показанного на фиг.3a, соответствующий изобретению.
Осветительное устройство на фиг.4 содержит кожух 50, имеющий основание 52 и окно 54 напротив основания 52 для подсветки жидкокристаллического индикатора 56 и, со стороны основания кожуха 50, печатную плату 90, параллельную основанию кожуха, со сквозным центральным отверстием 92, световод 62, имеющий на одной из своих лицевых поверхностей 64, обращенных к основанию 52 кожуха, оптическую структуру 70 для рассеивания света, распространяющегося по световоду.
Печатная плата 90 покрыта с одной из своих лицевых поверхностей 72, со стороны, обращенной к световоду 62, прозрачной белой пленкой 94 и рассеивающим непрозрачным покрытием 96, имеющим в покрытии отверстие 98, соосное с центральным отверстием 92 печатной платы 90. Рассеиватель 75 находится на вершине всего световода.
Как и в конструкции осветительного устройства, показанного на фиг.3a и 3b, печатная плата 90 содержит восемь рядов Rb1, Rb2, … Rb8 по семь светодиодов Lnm, соединенных последовательно, выравненных на каждой из граней B1, B2, B3, B4 световода 62, соответственно, и каждый ряд питается своим соответствующим источником электропитания S1-S8.
Осветительное устройство вариантов осуществления, показанных на фиг.3a, 3b и 4, имеет размеры 2,3 дюйма × 2,3 дюйма, волновод с толщиной 1 мм. Центральное отверстие 92 в печатной плате 90 на фиг.4 имеет диаметр 3 мм.
Осветительное устройство, показанное на фиг.4, дополнительно содержит печатную плату 104, имеющую фотоэлектрический датчик 106, принимающий свет (лучи cp), рассеянный рассеивающей оптической структурой 70 световода через отверстие 98 в непрозрачном покрытии и центральное отверстие 92 в печатной плате.
В этом варианте фиг.4 фотоэлектрический датчик (или фотодетектор) передает электрические данные Up как функцию силы света освещенности, создаваемой осветительным устройством. Эти данные Up могут использоваться для обнаружения неисправности или снижения освещенности, даваемой осветительным устройством, а также для сервоуправления силой света, даваемой осветительным устройством.
На фиг.5 показана упрощенная схема, представляющая такое сервоуправление осветительным устройством 110, имеющим ту же самую структуру, как та, которая описана на фиг.4, которое содержит фотоэлектрический датчик 106.
Электрические данные Up с выхода фотоэлектрического датчика 106 после перевода в цифровую форму передаются на микропроцессор mP 112, соединенный с устройством управления CdS 114 для управления питанием, подаваемым от источников электропитания S1-S8 для рядов Rb1-Rb8 светодиодов осветительного устройства. Данные Up на выходе фотоэлектрического датчика используются микропроцессором 112, чтобы воздействовать на устройство управления CdS 114 для поддержания силы света осветительного устройства в пределах заданного диапазона возможных изменений уровней освещенности, создаваемой светодиодами. Например, ряды светодиодов осветительного устройства питаются периодическим сигналом в форме прямоугольных импульсов, выходная освещенность светодиодов управляется путем изменения скважности прямоугольных импульсов, питающих светодиоды, как описано выше.
В варианте осветительного устройства соответствующего изобретению, по меньшей мере, один ряд диодов излучает спектр света, отличающийся от спектра, излучаемого другими рядами.
В одном примере осуществления осветительное устройство, соответствующее изобретению, имеющее ту же самую конструкцию, что и в варианте осуществления, показанном на фиг.4, содержит два ряда Rb1 и Rb4 светодиодов, излучающих цветовой спектр, отличный от того, который излучают другие ряды Rb2, Rb3, Rb5-Rb8 светодиодов. Например, два ряда Rb1 и Rb4 излучают красный свет на длине волны около 615 нм.
На фиг.6 показана упрощенная схема, представляющая сервоуправление светом, излучаемым осветительным устройством 119, включая три фотоэлектрических датчика 120, 121, 122, каждый из которых имеет соответствующий красный фильтр 130, зеленый фильтр 131 и синий фильтр 132. Датчики принимают через отверстие 98 в покрытии и отверстие 92 в печатной плате осветительного устройства свет, рассеиваемый световодом.
Электрические данные Upr, Upg, Upb на выходе каждого из этих трех фотодатчиков, соответствующие красному, зеленому и синему уровням спектра, излучаемого осветительным устройством, после перевода в цифровую форму передаются на вход микропроцессора mp 134, подключенного к устройству управления CdS 136 для управления питанием, подаваемым от источников электропитания S1-S8 для рядов Rb1-Rb8 светодиодов осветительного устройства каждого ряда светодиодов, определенных рядов, излучающих цветовой спектр, отличный от других.
Конфигурация микропроцессора mP создается запоминающим устройством М 138 для запуска различных рядов светодиодов таким способом, что спектр света, даваемого осветительным устройством, насколько возможно близок к желаемому цвету, например, к белому цвету, и к заданной силе света.
В вариантах осуществления, показанных на фиг.3a, 3b и далее, осветительное устройство, соответствующее изобретению, совместимо с ночным видением.
Осветительные устройства, особенно для военного применения или для авиации, должны соблюдать определенные требования к характеристикам излучения в ближней части инфракрасного спектра. Излучение светодиодов, используемых в осветительных устройствах, происходит в ближней части инфракрасного спектра и должно для этой цели фильтроваться, используя оптические фильтры.
На фиг.7a, 7b и 7c показаны частичные разрезы вариантов осуществления осветительных устройств, соответствующих изобретению, которые совместимы с ночным видением.
В первом варианте осуществления, осветительное устройство, показанное на фиг.7a, имеет на той же самой стороне, что и отверстие 54 осветительного устройства, оптический фильтр 150 в форме пластины, параллельной основанию кожуха, покрывающий все осветительное устройство, и, таким образом, фильтрующий весь свет, излучаемый осветительным устройством. На жидкокристаллический индикатор попадает отфильтрованное световое излучение, прошедшее фильтрацию ближней части инфракрасного спектра.
Во втором варианте осуществления, показанном на фиг.7b, ряды самих светодиодов покрыты оптическим фильтром 152 ближней части инфракрасного спектра, например в форме маски по всей длине ветвей светодиодов. Другое решение могло бы состоять в заливке рядов светодиодов материалом, который отфильтровывает ближнюю часть инфракрасного спектра и имеет, например, форму маски 152.
В третьем варианте осуществления, показанном на фиг.7c, светодиоды подключены проводами к печатной плате 90, чтобы излучать свет в направлении, перпендикулярном лицевым поверхностям световода 62, ряды диодов заключены в небольшой кожух 156 вдоль длины рядов и упомянутый небольшой кожух закрывается в своей верхней части продольным оптическим фильтром 158 ближней части инфракрасного спектра. Зеркало 160, расположенное вдоль всей длины ветвей и наклоненное под углом 45° к лицевым поверхностям световода, отражает отфильтрованный свет, излучаемый рядами светодиодов, на соответствующие грани B1, B2, B3 и B4 световода.
Осветительное устройство, соответствующее изобретению, может быть объединено с жидкокристаллической матрицей, имеющей пикселы, выстроенные в "квадратную" или четырехпиксельную структуру, то есть с красными, зелеными, синими и белыми пикселами.
Если требуется более высокая интенсивность освещения, чем интенсивность, даваемая одиночным осветительным устройством, осветительное устройство содержит пакет ветвей светодиодов и волноводы, связанные с каждым из наборов ветвей в любой одной плоскости. На фиг.8 показано, посредством примера, осветительное устройство, включающее пакет из двух каскадов светодиодов и световодов.
Первый каскад E1 имеет первые ветви Rb1-Rb8 светодиодов, присоединенных проводами к первой печатной плате 170, имеющей отражатель 172, и его первый связанный с ним световод 174, и второй каскад E2, имеющий вторые ветви Rb'1-Rb'8, присоединенные проводами ко второй печатной плате 176, которая открыта по всей площади поверхности первого световода 174, чтобы пропускать через два каскада весь свет, который отражается отражателем 172 первого каскада E1 и вторым световодом 178, связанным со вторыми ветвями Rb'1-Rb'8.
Различные осветительные устройства, соответствующие изобретению, гарантируют, что индикаторы, для которых они предназначены, будут более доступны и легко читаемы. Кроме того, возможность сервоуправления освещенностью гарантирует, что сила света и колориметрические характеристики излучаемого света сохраняются во времени.