專利名稱：恒光輸出照明器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)視照明設(shè)備的一般領(lǐng)域，尤其涉及發(fā)光二極管(LED)照明設(shè)備及用 于LED的電源。
背景技術(shù)：
使用安裝在金屬散熱器上的LED陣列的監(jiān)視照明器系統(tǒng)在安全行業(yè)廣泛使用以 為CCTV攝像機(jī)、成像或數(shù)據(jù)捕獲設(shè)備提供可見或紅外(IR)照明。LED照明器聲稱提供超 過100000小時的壽命，然而，它們的有效輸出從LED啟用時刻起即開始衰減。在制造商的 數(shù)據(jù)中已引證壽命輸出降低20% -50%，及1^0輸出通常規(guī)定為特定環(huán)境溫度下的最大工 作電流的50%。增大照明器范圍和輸出的需要使LED在降低照明器有效性、可靠性及(可 選的)壽命的監(jiān)視應(yīng)用實(shí)踐中必須驅(qū)動到其電流極限。 也可使監(jiān)視照明器系統(tǒng)的LED輸出和壽命降級的因素包括但不限于LED陣列以 固定輸出電流運(yùn)行；在降低LED效率(甚至在使用恒流電源時也是如此)的高環(huán)境溫度下 運(yùn)行；LED芯片質(zhì)量、LED效率及低效率透鏡化方面的生產(chǎn)偏差在不同照明器單元之間的光 輸出功率方面可表現(xiàn)高達(dá)+/_20%的變化。 已知現(xiàn)有技術(shù)監(jiān)視照明系統(tǒng)利用并可組合照明器反饋、散熱和脈寬調(diào)制以延長 LED壽命。然而，即使是這些系統(tǒng)中的最好系統(tǒng)的壽命仍然由于使用封裝LED而受限于高電 流運(yùn)行及高溫運(yùn)行。不太適用的現(xiàn)有技術(shù)使用不太可靠的電流傳感器反饋代替直接光傳感 器反饋以保持標(biāo)稱照明器輸出?，F(xiàn)有技術(shù)LED照明器的有效范圍可隨溫度和時間及在單元 之間發(fā)生引人注目的變化。尚沒有現(xiàn)有技術(shù)LED照明器系統(tǒng)能在監(jiān)視設(shè)備的整個最大運(yùn)行 壽命期間產(chǎn)生具有足夠可靠質(zhì)量的監(jiān)視圖像。 存在多個利用光探測器在LED陣列或其它光源的光功率輸出上提供反饋的專利。 至少一項(xiàng)專利(U. S. 6， 028， 694-Schmidt)使用脈寬調(diào)制增加給定熱負(fù)荷下的LED光輸出。 多個專利或公開文獻(xiàn)尋求提供不變的或"穩(wěn)定的"亮度或光功率，通常通過光探測器提供的 反饋實(shí)現(xiàn)。其它專利尋求通過改變電壓或電流使LED的光輸出"最大化"。組合與本發(fā)明最 相關(guān)的少數(shù)特征的專利申請為Mazzochette等申請的題為"具有內(nèi)部反饋和控制的LED陣 列組件"的申請(US20060012986)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供恒光輸出照明器系統(tǒng)以使能可靠的長期低光成像和數(shù)據(jù)捕獲。本說明 書描述了用于CCTV監(jiān)視和安全應(yīng)用的照明器，其通過采用輸出補(bǔ)償、反饋和增強(qiáng)而使LED 陣列保持恒光輸出。恒光輸出照明器系統(tǒng)克服了普通LED照明器的多個問題，在普通LED 照明器中，光輸出隨下述條件變化
a)溫度
b)制造公差 c)當(dāng)LED及元件在電源板使用年限中時隨時間變化
d)在初始校準(zhǔn)期間 在白天期間有多個照明源室外日光、室內(nèi)透過窗戶的日光、及室內(nèi)用于工作和氣 氛的可見光源。CCTV攝像機(jī)使用該現(xiàn)場光捕獲圖像，但依賴于適當(dāng)?shù)臄z像機(jī)設(shè)置以確保用 可用的光捕獲到可能的最好圖像。CCTV系統(tǒng)安裝是富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，其中監(jiān)視系統(tǒng)的性 能不僅通過所得圖像的質(zhì)量進(jìn)行測量，而且通過在所有環(huán)境、照明條件下及產(chǎn)品的整個壽 命期間保持該質(zhì)量的能力進(jìn)行測量。 在夜間，監(jiān)視場景或沒有任何照明或因人類活動而人工照明。當(dāng)考慮用于安全和 監(jiān)視應(yīng)用的CCTV圖像質(zhì)量時，這些夜間情形均遠(yuǎn)非最佳情形。 照明器方面早前的開拓工作已導(dǎo)致廣泛使用紅外(IR)照明與用于監(jiān)視和安全的 CCTV系統(tǒng)結(jié)合及支持這些系統(tǒng)。例如，按UF500 (Extreme CCTV International Inc.的商 標(biāo))出售的專利照明器提供可使用的夜間CCTV圖像，該圖像不依賴于場景的環(huán)境照明。然 而，隨著產(chǎn)業(yè)成熟，對CCTV基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求，包括使用先進(jìn)視頻分析軟件以監(jiān) 視來自CCTV攝像機(jī)的視頻。 提高夜間性能的需求已導(dǎo)致具有Black Diamond (Extreme CCTVInternational Inc.的商標(biāo))未決專利照明器的LED照明器，其使用微衍射折射元件，這些元件引導(dǎo)來自 LED的光以改變目標(biāo)上的照明分布和/或通過節(jié)約光使照明更有效率(見圖2和4)。相較 傳統(tǒng)LED照明器(見圖14)，Black Diamond技術(shù)對來自微衍射照明器(見圖15)的光能提 供更均勻且更有效率的分布。 為進(jìn)一步發(fā)展安全和監(jiān)視照明性能，Extreme CCTV已創(chuàng)造了 CCTV照明器系列，這
些照明器在產(chǎn)品壽命期間隨時及跨變化的環(huán)境條件保持恒光功率輸出。在產(chǎn)品壽命期間保
持一致的照明確保CCTV系統(tǒng)的圖像質(zhì)量將與其安裝時的圖像質(zhì)量一樣好。 照明器產(chǎn)品普遍被證明具有3年到10年之間的壽命。根據(jù)所制造產(chǎn)品的質(zhì)量，及
假設(shè)沒有災(zāi)難性故障，場景的照明功率將隨著時間的過去衰減。制造商引證的典型照明器
壽命宣稱為標(biāo)稱輸出的80%到50% 。 LED照明器的光輸出的下降率直接與LED本身的內(nèi)部
工作溫度有關(guān)。 制造公差、溫度變化和壽命減少的組合效應(yīng)為加成效應(yīng)，這使出現(xiàn)最壞情形，即在 各種條件下光輸出功率的變化在+/_50%的區(qū)間內(nèi)。恒定照明器系統(tǒng)20在相同條件時將保 證100%恒光功率，從而使安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)可信任。 通過監(jiān)視和保持照明器的光功率輸出，CCTV圖像的質(zhì)量將不隨時變化因而將大大 提高圖像質(zhì)量及延長安全/監(jiān)視系統(tǒng)的使用壽命。 恒定照明器系統(tǒng)設(shè)計(jì)成對低光成像和數(shù)據(jù)捕獲提供可靠的長期照明。通過將較高 功率的LED較近地包裝在一起并以較小的電流運(yùn)行它們，然后通過透鏡、非對稱漫射器聚 焦使更有效率地使用它們的光輸出，所得到的光輸出至少與現(xiàn)有技術(shù)相當(dāng)，但在長得多的 運(yùn)行壽命期間提供恒定照明。光探測器也監(jiān)視總LED輸出及增加驅(qū)動電流或啟動另外的輔 助LED以相較其它解決方案更長地保持最佳LED輸出。通過使工作電流降低、脈寬調(diào)制及 利用有效散熱而防止過熱。根據(jù)周圍可用的光及所使用的監(jiān)視設(shè)備，恒定照明系統(tǒng)可使用 可見或紅外波長的表面安裝或穿孔LED。 總而言之，本發(fā)明提供在監(jiān)視和安全應(yīng)用中能進(jìn)行可靠地長期低光成像和數(shù)據(jù)捕 獲的恒光輸出照明器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LED陣列、LED電源電路、及輸出反饋和補(bǔ)償電路，其中光探測器電路提供與落在光傳感器上的光量成正比的電壓信號，及該電壓信號饋給LED 電流的驅(qū)動控制電路以獲得所希望的光輸出，光輸出由跨光探測器電路的光傳感器的電壓 設(shè)定點(diǎn)測量。還提供在監(jiān)視和安全應(yīng)用中能進(jìn)行可靠地長期低光成像和數(shù)據(jù)捕獲的、創(chuàng)新 的恒光輸出照明器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LED陣列、LED電源電路、及輸出反饋和補(bǔ)償電路，其中 LED的光輸出基于來自嵌入在LED陣列中的至少一光探測器的反饋進(jìn)行控制。
本發(fā)明的更詳細(xì)的創(chuàng)新實(shí)施方式包括這樣的系統(tǒng)，其中 a)電壓設(shè)定點(diǎn)可經(jīng)用于人工控制的電位器調(diào)節(jié)，或電壓設(shè)定點(diǎn)可經(jīng)用于動態(tài)控制 和遠(yuǎn)程控制的微控制器調(diào)節(jié)； b)LED的光輸出基于來自嵌入在LED陣列中的多個光探測器的反饋經(jīng)電流控制進(jìn) 行控制，每一光探測器發(fā)送用于LED的光輸出的電流控制的光輸出反饋信號，及基于來自 嵌入在LED陣列中的一個或多個光探測器的反饋經(jīng)脈沖調(diào)制進(jìn)行控制；
c)微控制器從光探測器接收反饋并使用該反饋經(jīng)脈沖調(diào)制控制給LED的電流；
d) LED陣列表面安裝在絕緣金屬襯底材料上； e) LED陣列使用人眼實(shí)質(zhì)上不可見但對IR靈敏的CCD和CMOS攝像機(jī)可見的紅外 波長； f)LED被接近地結(jié)合在一起并透鏡化，不限于用棋盤格形的六邊形透鏡進(jìn)行透鏡 化； g)光探測器遍布LED陣列以獲得實(shí)質(zhì)上平均的光輸出測量；
h)微控制器確定LED的最大允許電流驅(qū)動； i)在每一光探測器傳感器上使用帶通濾光片，及帶通濾光片對應(yīng)于LED的光輸出 波長； j)階梯式通過濾光片用于實(shí)質(zhì)上將LED的所有光輸出波長傳給每一光探測器；
k)光探測器在LED陣列內(nèi)被定向以捕獲來自LED的光而不是捕獲外部環(huán)境光；
1)微控制器監(jiān)視結(jié)溫度并確保其不超出預(yù)定最大水平；
m)當(dāng)LED衰減超出預(yù)定水平時微控制器觸發(fā)報警； n)反饋和補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)LED的光輸出以補(bǔ)償隨環(huán)境和系統(tǒng)溫度及隨LED和電源板 元件老化而變化的光輸出； o)控制電路補(bǔ)償輸入電壓變化、影響控制電路和LED輸出的溫度、驅(qū)動電路和LED 控電板中的元件公差、及電源元件和LED的性能降級。


圖1為恒定照明器系統(tǒng)的等角外部圖。 圖2為恒定照明器系統(tǒng)的等角分解圖。 圖3為具有反饋傳感器的LED陣列板的側(cè)視圖。 圖4為恒定照明器系統(tǒng)的側(cè)視分解圖。 圖5為恒定照明器系統(tǒng)的后視圖。 圖6為通過改變電流跨寬溫度范圍保持恒定照明器輸出的曲線圖。 圖7為現(xiàn)有技術(shù)照明器輸出在較高溫度時降低的曲線圖。 圖8為恒定照明器輸出與現(xiàn)有技術(shù)跨寬溫度范圍的比較曲線圖。
圖9為現(xiàn)有技術(shù)在預(yù)熱期間輸出降級的曲線圖。 圖10為恒定照明器輸出在預(yù)熱及低電流需求期間的曲線圖。 圖11為現(xiàn)有技術(shù)照明器輸出降級的外推繪圖的曲線圖。 圖12為LED調(diào)節(jié)器/控制板(LRB)的功能元件的框圖。 圖13為LED調(diào)節(jié)器/控制板(LRB)電子電路的示意圖。 圖14為現(xiàn)有技術(shù)照明器的區(qū)域功率輸出的曲線圖。 圖15為使用非對稱漫射的恒定照明器的區(qū)域功率輸出的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
圖l示出了恒定照明器系統(tǒng)20的外部，包括其面板22、散熱器28、安裝支架40、 LRB (LED調(diào)節(jié)器/控制板)外殼30、及其頂蓋板34。 圖2示出了恒定照明器系統(tǒng)20的分解圖，包括其面板22、微衍射器50、面板墊圈 24、及LED陣列板26。散熱器28和LRB外殼30鑄造為一個部件，但形成為分開的功能元 件。上面列出的元件組裝在散熱器28的正面上。來自LED陣列板26的任何熱氣或濕氣通 過散熱器28的內(nèi)壁逸入LRB外殼30內(nèi)。之后，壓力和濕氣借助于壓力釋放閥38傳出LRB 外殼30。 LRB外殼30包圍LED調(diào)節(jié)器/控制板(LRB) 32，借助于具有緊固件52 (如圖4中 所示)的蓋板34和墊圈36與外部環(huán)境密封。與LRB32連接的是環(huán)境光電管組件42，該組 件通過穿過LRB外殼30的后壁的孔安裝，且該組件與外部環(huán)境密封。LRB32借助于通過散 熱器28的內(nèi)壁的連接器56電連接到LED陣列板26。圖中示出了安裝支架40，其借助于安 裝螺栓54連接到LRB外殼30的兩側(cè)(如圖4和5中所示)。 圖3示出了 LED陣列板26及其發(fā)光二極管(LED) 44的側(cè)視圖，每一發(fā)光二極管均 由透鏡類聚焦器48覆蓋，發(fā)光二極管和聚焦器由不透明殼體60包圍，LED陣列板的輸出由 多個光電管46監(jiān)視。 圖4示出了與圖2中所示恒定照明器系統(tǒng)20相同元件的側(cè)視圖，但還包括使部件 與外部環(huán)境密封、固定內(nèi)部組件及安裝支架所需要的緊固件52。 圖5示出了恒定照明器系統(tǒng)20的后視圖，其安裝支架40和安裝螺栓54連接到LRB 外殼30的兩側(cè)，LRB外殼借助于頂部和底部的蓋板34和蓋板墊圈36進(jìn)行密封。圖中所示 通過LRB外殼30的后壁同時保持外殼完整性的是環(huán)境光電管組件及壓力釋放閥38。外部 組件通過封閉管道(未示出)穿過LRB外殼30的側(cè)壁中的螺紋孔連接到LRB32，這些管道 在不使用時借助于具有墊圈的管道插塞58進(jìn)行密封。緊固件52還被示出穿過散熱器28， 其用于將組件固定在散熱器的另一側(cè)上。 圖6示出了通過改變LED陣列板26的電流在寬溫度范圍保持恒定光功率輸出 )的恒定照明器系統(tǒng)20。輸出電流永遠(yuǎn)不會達(dá)到100X，但可在LED44的壽命期間 通過對隨時間及溫度發(fā)生的LED44降級進(jìn)行補(bǔ)償而升高。 圖7示出了在恒流反饋環(huán)中運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)未補(bǔ)償照明器的相應(yīng)曲線圖。在此我們可
以看見，即使電流恒定，標(biāo)準(zhǔn)照明器的光輸出隨溫度仍然發(fā)生引人注目的變化。
圖8在工作溫度范圍對現(xiàn)有技術(shù)照明器和恒定照明器系統(tǒng)20的光輸出進(jìn)行比較。
圖9表明標(biāo)準(zhǔn)照明器中使用的各個LED的功率輸出在初始加電時開始即有降級。 該預(yù)熱階段可持續(xù)高達(dá)1. 5小時。在測試、校準(zhǔn)和試運(yùn)行期間，如果未被補(bǔ)償，該輸出降級可引起令人誤解的結(jié)果。 圖10表明恒定照明器系統(tǒng)20的輸出實(shí)際上沒有啟動時延，該系統(tǒng)在1分鐘內(nèi)即 達(dá)到其規(guī)定輸出的99%。在初始啟動時工作電流較低，因?yàn)椴考谖催^熱時更有效率。
圖11示出了未補(bǔ)償照明器的相對光功率輸出對時間的外推繪圖。應(yīng)注意，該外推 法假設(shè)照明器連續(xù)運(yùn)行。由于每天運(yùn)行8小時，運(yùn)行壽命全年平均延長近似3的因子。這 意味著在2年連續(xù)使用中出現(xiàn)20%的降低，而在正常運(yùn)行時這將為6年。在所有其它條件 一樣的情況下，恒定照明器系統(tǒng)20設(shè)計(jì)成在以與標(biāo)準(zhǔn)照明器類似的方式開始降級的類似 時間段保持100%輸出，而標(biāo)準(zhǔn)照明器具有更大的衰減率。
圖12為恒定照明器系統(tǒng)20的電子運(yùn)行的基本元件的框圖。
圖13為恒定照明器系統(tǒng)20運(yùn)行中使用的電子元件的示意圖。
圖14為標(biāo)準(zhǔn)LED照明器陣列的光功率輸出(微瓦特/平方厘米)的區(qū)域繪圖。
圖15為恒定照明器系統(tǒng)20的光功率輸出(微瓦特/平方厘米)的區(qū)域繪圖。
現(xiàn)在將詳細(xì)描述恒定照明器系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式。 LED陣列板LED陣列板26包圍發(fā)光二極管(LED) 44的陣列，每一 LED由聚焦器48 覆蓋，聚焦器定位安裝到板26上。大多數(shù)LED在所有方向均發(fā)射光，這是能量和光的低效 率使用。聚焦器48為塑料六邊形棋盤格狀透鏡，其將來自每一 LED44的光聚焦為緊密圓柱 形型式。 LED光電管LED光電管46為光子敏感器件如光探測器、光二極管或光晶體管，其 放在照明空腔中并連接到LRB32上的電流敏感電阻的適當(dāng)位置以基于跨光探測器的電壓 對給LED陣列26的電流進(jìn)行直接控制。LED光電管46可包括濾光片以阻擋無關(guān)波長的光， 從而使能日間使用，及防止故意干擾照明器20的運(yùn)行。該濾光片可以是階梯式通過濾光 片，其將LED光電管46限制到特定光譜部分；或可以是陷波型濾光片，其將LED光電管46 的靈敏度進(jìn)一步限制到對應(yīng)于LED陣列26的光譜輸出的窄的區(qū)域。圖3示出了與LED44 的輸出的方向成90度安排的LED光電管46。該特定安排使得聚焦器48的不透明塑料殼 體60遮蔽LED光電管46從而免遭反射回板內(nèi)的雜散光，這些雜散光可能向LRB32提供不 準(zhǔn)確的輸出反饋數(shù)據(jù)。 環(huán)境光電管組件環(huán)境光電管組件42是用于測量環(huán)境光的外部光電管并在圖2、 4和5中示出。借助于其關(guān)聯(lián)的硬件，光電管42通過LRB外殼30的后壁連接到LRB32。環(huán) 境光電管組件42的功能是向LRB32提供環(huán)境光水平，LRB32繼而通過將該光水平與預(yù)定設(shè) 定值比較而確定LED陣列板26應(yīng)在何時打開。 面板&墊圈面板22保護(hù)LED陣列板26，及當(dāng)適當(dāng)固定時，面板墊圈24提供IP68 級的潛水保護(hù)。在一些實(shí)施例中，面板22阻擋可見光，但通過紅外光以防止不準(zhǔn)確的LED 光電管46反饋數(shù)據(jù)。在這些實(shí)施例中，階梯式通過濾光片用于減少給源的環(huán)境光/來自源 的環(huán)境光。 微衍射器來自LED陣列26的聚焦輸出借助于附著在照明器面板22內(nèi)部的微衍 射材料薄層而出現(xiàn)非對稱漫射(見圖2和4)。微衍射材料的當(dāng)前實(shí)施借助于壓敏粘合劑進(jìn) 行，但也可使用其它技術(shù)達(dá)到同樣的結(jié)果，微衍射材料以比現(xiàn)有技術(shù)具有更高效率的模式 傳播來自LED陣列26的光并聚焦在成像目標(biāo)上(比較圖14和15)。 物理布局散熱器28和LRB外殼30用6063飛機(jī)用鋁形成為單一部件。LED陣列
926封裝于其中的小室共享與LRB外殼30 —樣的環(huán)境和壓力。具有相應(yīng)墊圈36的頂部和底 部蓋板34用于借助于緊固件52將LRB32密封在LRB外殼30內(nèi)。為使能外部的電連接，在 LRB外殼30兩側(cè)上具有螺紋孔，這些螺紋孔當(dāng)不使用時由具有墊圈的塑料管道插塞密封。 將LED調(diào)節(jié)器/控制板(LRB) 32組合在照明器20本身內(nèi)因減少了來自LED光電管46的反 饋的信號損失而提供附加的性能和成本效益。 壓力釋放閥經(jīng)壓力釋放閥38使壓力與外界環(huán)境相等。壓力釋放閥38在此簡單 地用于在LED陣列26或LRB32在照明器20運(yùn)行期間加熱封閉空氣時防止蓄壓。這些部件 為IP68級的部件，意味著它們可經(jīng)受潛水，從而它們有效地與外部環(huán)境密封。密封環(huán)境的 問題在于Boyle定律，即所包含的氣體隨著照明器變熱而膨脹，這將擠推前板。這具有不受 歡迎的美感影響且還可影響產(chǎn)品的實(shí)際性能。壓力釋放閥38使內(nèi)部和外部壓力相等并使 濕氣逸出而不允許濕氣進(jìn)入LRB外殼30內(nèi)。壓力釋放閥38的功能與外套的半透膜殼非常 相似，其使穿用者能排出熱量和濕氣而不允許濕氣進(jìn)入。 LED調(diào)節(jié)器/控制板(LRB) :LRB32為用于驅(qū)動和保持LED陣列板26的電流輸出調(diào) 節(jié)器和控制板。參考圖12—LRB32概覽的LRB框圖，及圖13-元件細(xì)節(jié)的示意圖。LRB32具 有最大電流和最大電壓限制以防止LED陣列26超出LED44的電流及加熱額定值運(yùn)行?？?制器特征包括可變功率輸出、被動IR觸發(fā)、及可使用特殊功率情形的定時情形。例如，高 功率使用l秒，及低功率使用5秒，或高功率使用1/15秒以照明兩個視頻幀及在其余14/15 秒內(nèi)關(guān)閉以節(jié)約功率。調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)特征包括高電壓限制、高電流限制、工作和最大電壓及 電流的測量點(diǎn)。LRB32借助于穿過散熱器28壁的連接器56控制和驅(qū)動LED陣列26。
恒定照明器功率輸出來自典型開關(guān)模式電源的功率輸出包括隨輸入電壓及溫度 變化的降壓、降壓/升壓、及升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型的設(shè)計(jì)依賴于感測電阻器以對提供給LED 陣列26的電流或電壓量提供反饋。圖13示出了用于將LED光電管46的光感應(yīng)電流轉(zhuǎn)換 為放大的輸出電壓的互阻放大器，其確定多少電流提供給LED陣列26。
用于安全和監(jiān)視應(yīng)用的CCTV成像依靠光捕獲感興趣區(qū)域的圖像。如Ansel Adams 所說"如果沒有光則不可能有圖像"。恒定照明器系統(tǒng)20在與Extreme的未決專利Black Diamond (微衍射)照明技術(shù)組合時特別有用，其在三維區(qū)域?qū)CTV成像提供均勻的照明。
使用表面安裝技術(shù)還使能將運(yùn)行條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的預(yù)期最高輸出水平，即在 預(yù)熱前在-30度啟動時的預(yù)期水平，并超出5年保用期保持該水平。 恒定照明器系統(tǒng)20的目標(biāo)在于通過從最佳數(shù)量的各個LED44產(chǎn)生恒定照明而在 指定溫度范圍在指定最小時間段內(nèi)保證恒定高功率輸出，這導(dǎo)致恒定的照明器范圍和圖像 質(zhì)量性能。 為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，LED陣列板26必須在更長的持續(xù)時間內(nèi)具有比現(xiàn)有技術(shù)更高的 輸出功率密度。該目標(biāo)的第一步可通過使用更高功率的表面安裝技術(shù)(SMT)LED44實(shí)現(xiàn)，這 些LED密集安裝在絕緣金屬襯底電路板26上。然而，當(dāng)在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)大小的照明器中使用高 功率LED44時，散熱器28不能足夠地散熱從而不能將LED44結(jié)溫度保持在其臨界擊穿值之 下。如果在可用空間中的LED44數(shù)量最大化，則相較使用一半數(shù)量的LED44沒有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)?在靜止系統(tǒng)中熱量不能足夠快地除去。為此，現(xiàn)有技術(shù)解決方案在較寬的散熱器28區(qū)域上 布置較少的LED44并使用大的圓形透鏡以使輸出變窄。恒定照明器系統(tǒng)20在絕緣金屬襯底材料26上使用高功率LED44陣列，其中LED44被靠近地結(jié)合在一起且其輸出使用棋盤格狀六邊形透鏡作為聚焦器48。之后，基于熱限制 最大化或明顯增加LED44的數(shù)量而高于通常構(gòu)成最大值的LED44數(shù)量。LED陣列板26以較 低的工作電流運(yùn)行以供給與標(biāo)準(zhǔn)解決方案所預(yù)期同等的功率輸出。多個LED光電管46監(jiān) 視陣列26的實(shí)際輸出，之后應(yīng)用該輸出改變LED44的驅(qū)動電流以保持恒定高功率輸出。另 外的備用LED44安裝在LED陣列板26上，其可被啟動以補(bǔ)償陣列26的總輸出功率隨時出 現(xiàn)的衰減，從而保持恒定照明。 為獲得輸出反饋，多個光探測器(已知為LED光電管46)接近LED44放在LED陣 列板內(nèi)，如圖3中所示。多個LED光電管46跨陣列26布置以在照明器的前腔內(nèi)獲得平均 照明。僅使用單一反饋傳感器46將引起不準(zhǔn)確的輸出讀數(shù)，因?yàn)槠涫琼憫?yīng)于整個LED陣列 26的非常小的樣本。理想地，LED光電管46應(yīng)帶通濾波以對應(yīng)于照明器LED的波長，因而 減少因外部光源偏移反饋的可能性。為此，LED光電管46應(yīng)指向與照明器輸出LED44成90 度的方向，看照明器內(nèi)的散射光，如圖3中所示。 實(shí)現(xiàn)恒定照明目標(biāo)的另一步是使用接受脈寬調(diào)制(P麗)輸入的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以 受控于來自LED光電管46的反饋控制通過LED陣列26的平均電流(見圖13)。小的微控 制器也可用于增加另外的安全特征如最大容許電流驅(qū)動及最大結(jié)溫度監(jiān)視以延長LED陣 列26的壽命。 不可避免地會到達(dá)LED44的衰減不再能被補(bǔ)償?shù)狞c(diǎn)，該點(diǎn)可有效地設(shè)計(jì)成在某一 最小小時數(shù)之后才出現(xiàn)。在該點(diǎn)，報警輸出可被觸發(fā)以警告LED44的衰減開始超出照明器 20的性能規(guī)約。 在CCTV行業(yè)或通用照明行業(yè)目前尚沒有商用照明器使用LED光電管46的反饋來 保持恒定光功率輸出。 恒定照明器系統(tǒng)通過連同先進(jìn)部件如復(fù)雜的微控制器和光探測器利用脈沖調(diào)制 技術(shù)和散熱器技術(shù)保持LED密集結(jié)構(gòu)的光功率恒定。 恒定照明器20的其它實(shí)施方式在下面描述。不排除其它實(shí)施方式或其它實(shí)施方 式是導(dǎo)致相同結(jié)果的類似方法。 對于IR LED照明器應(yīng)用，前板可阻擋可見光，但恒定照明器20可用于可見光LED
照明器應(yīng)用，這要求前板材料為通過可見波長的光的材料，如透明或半透明塑料。恒定照明器系統(tǒng)20可使用發(fā)射730nm(納米8nm、850nm、880nm或940nm波長的紅
外LED ;及包括藍(lán)光、綠光、紅光、琥珀色光和白光的可見光譜LED。 LED44可穿孔電鍍或表
面安裝，及可以是低功率或高比輸出型LED。 前面針對優(yōu)選實(shí)施裝置和方法的描述應(yīng)僅視為是說明性的描述而非限制性的描 述。采用其它成型技術(shù)或材料及等效電子電路或元件也可達(dá)到類似目的。在被背離本發(fā)明 真實(shí)范圍的情況下本領(lǐng)域技術(shù)人員也可進(jìn)行各種變化和修改。
1權(quán)利要求
在監(jiān)視和安全應(yīng)用中能進(jìn)行可靠地長期低光成像和數(shù)據(jù)捕獲的恒光輸出照明器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LED陣列、LED電源電路、及輸出反饋和補(bǔ)償電路，其中光探測器電路提供與落在光傳感器上的光量成正比的電壓信號，該電壓信號饋給LED電流的驅(qū)動控制電路以獲得所希望的光輸出，所述光輸出由跨光探測器電路的光傳感器的電壓設(shè)定點(diǎn)測量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中電壓設(shè)定點(diǎn)可經(jīng)用于人工控制的電位 器調(diào)節(jié)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中電壓設(shè)定點(diǎn)可經(jīng)用于動態(tài)控制和遠(yuǎn)程 控制的微控制器調(diào)節(jié)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中LED的光輸出基于來自嵌入在LED陣 列中的至少一光探測器的反饋經(jīng)電流控制進(jìn)行控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中多個光探測器嵌入在LED陣列中，每一 光探測器發(fā)送用于LED的光輸出的電流控制的光輸出反饋信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中LED的輸出基于來自嵌入在LED陣列 中的一個或多個光探測器的反饋經(jīng)脈沖調(diào)制進(jìn)行控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，還包括微控制器，所述微控制器從光探測 器接收反饋并使用該反饋經(jīng)脈沖調(diào)制控制給LED的電流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中LED陣列表面安裝在絕緣金屬襯底材 料上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中LED陣列使用人眼看不見但對IR靈敏 的CCD和CMOS攝像機(jī)可見的紅外波長。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中LED被接近地結(jié)合在一起并透鏡化， 不限于用棋盤格狀六邊形透鏡進(jìn)行透鏡化。
11. 根據(jù)權(quán)利要求2的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中所嵌入的光探測器遍布LED陣列以獲 得平均的光輸出測量。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中在每一光探測器傳感器上使用帶通 濾光片，及帶通濾光片對應(yīng)于LED的光輸出波長。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中階梯式通過濾光片用于將LED的所有 光輸出波長傳給每一光探測器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求2的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中光探測器在LED陣列內(nèi)進(jìn)行定向以捕 獲來自LED的光而不是捕獲外部環(huán)境光。
15. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中微控制器確定LED的最大允許電流驅(qū)動。
16. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中微控制器監(jiān)視結(jié)溫度并確保其不超 出預(yù)定最大水平。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中當(dāng)LED衰減超出預(yù)定水平時微控制器 觸發(fā)報警。
18. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中反饋和補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)LED的光輸出以 補(bǔ)償隨環(huán)境和系統(tǒng)溫度及隨LED和電源板元件老化而變化的光輸出。
19. 根據(jù)權(quán)利要求l的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中反饋和補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)LED的光輸出以補(bǔ)償輸入電壓變化、影響控制和LED輸出的溫度變化、電流驅(qū)動電路和LED控電板中的元件 公差、及電源元件和LED的性能降級。
20. 根據(jù)權(quán)利要求3的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) LED的光輸出基于來自嵌入在LED陣列中的多個光探測器的反饋經(jīng)電流控制進(jìn)行控 制，每一光探測器發(fā)送用于LED的光輸出的電流控制的光輸出反饋信號，及基于來自嵌入 在LED陣列中的一個或多個光探測器的反饋經(jīng)脈沖調(diào)制進(jìn)行控制；b) 微控制器從光探測器接收反饋并使用該反饋經(jīng)脈沖調(diào)制控制給LED的電流；c) LED陣列表面安裝在絕緣金屬襯底材料上；d) LED陣列使用人眼不可見但對IR靈敏的CCD和CMOS攝像機(jī)可見的紅外波長；e) LED被接近地結(jié)合在一起并透鏡化，不限于用棋盤格狀六邊形透鏡進(jìn)行透鏡化；f) 光探測器遍布LED陣列以獲得平均的光輸出測量；g) 微控制器確定LED的最大允許電流驅(qū)動。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) 在每一光探測器傳感器上使用帶通濾光片，及帶通濾光片對應(yīng)于LED的光輸出波長；b) 階梯式通過濾光片用于將LED的所有光輸出波長傳給每一光探測器；c) 光探測器在LED陣列內(nèi)進(jìn)行定向以捕獲來自LED的光而不是捕獲外部環(huán)境光。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) 微控制器監(jiān)視結(jié)溫度并確保其不超出預(yù)定最大水平；b) 當(dāng)LED衰減超出預(yù)定水平時微控制器觸發(fā)報警；c) 反饋和補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)LED的光輸出以補(bǔ)償隨環(huán)境和系統(tǒng)溫度及隨LED和電源板元件 老化而變化的光輸出；d) 控制電路補(bǔ)償輸入電壓變化、影響控制電路和LED輸出的溫度、驅(qū)動電路和LED控電 板中的元件公差、及電源元件和LED的性能降級。
23. 在監(jiān)視和安全應(yīng)用中能進(jìn)行可靠地長期低光成像和數(shù)據(jù)捕獲的恒光輸出照明器系 統(tǒng)，該系統(tǒng)包括LED陣列、LED電源電路、及輸出反饋和補(bǔ)償電路，其中LED的光輸出基于來 自嵌入在LED陣列中的至少一光探測器的反饋進(jìn)行控制。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) LED的光輸出基于來自嵌入在LED陣列中的多個光探測器的反饋經(jīng)電流控制進(jìn)行控 制，每一光探測器發(fā)送用于LED的光輸出的電流控制的光輸出反饋信號，及基于來自嵌入 在LED陣列中的一個或多個光探測器的反饋經(jīng)脈沖調(diào)制進(jìn)行控制；b) 微控制器從光探測器接收反饋并使用該反饋經(jīng)脈沖調(diào)制控制給LED的電流；c) 光探測器遍布LED陣列以獲得平均的光輸出測量。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) LED陣列表面安裝在絕緣金屬襯底材料上；b) LED陣列使用人眼不可見但對IR靈敏的CCD和CMOS攝像機(jī)可見的紅外波長；c) LED被接近地結(jié)合在一起并透鏡化，不限于用棋盤格狀六邊形透鏡進(jìn)行透鏡化；d) 光探測器遍布LED陣列以獲得平均的光輸出測量；e) 微控制器確定LED的最大允許電流驅(qū)動。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) 在每一光探測器傳感器上使用帶通濾光片，及帶通濾光片對應(yīng)于LED的光輸出波長；b) 階梯式通過濾光片用于將LED的所有光輸出波長傳給每一光探測器；c) 光探測器在LED陣列內(nèi)進(jìn)行定向以捕獲來自LED的光而不是捕獲外部環(huán)境光。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23的恒光輸出照明器系統(tǒng)，其中a) 微控制器監(jiān)視結(jié)溫度并確保其不超出預(yù)定最大水平；b) 當(dāng)LED衰減超出預(yù)定水平時微控制器觸發(fā)報警；c) 反饋和補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)LED的光輸出以補(bǔ)償隨環(huán)境和系統(tǒng)溫度及隨LED和電源板元件 老化而變化的光輸出；d) 控制電路補(bǔ)償輸入電壓變化、影響控制電路和LED輸出的溫度、驅(qū)動電路和LED控電 板中的元件公差、及電源元件和LED的性能降級。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于CCTV監(jiān)視和安全應(yīng)用的照明器，其通過采用輸出補(bǔ)償、反饋和增強(qiáng)保持LED陣列的光輸出恒定。該恒光輸出照明器系統(tǒng)在監(jiān)視和安全應(yīng)用中能進(jìn)行可靠地長期低光成像和數(shù)據(jù)捕獲，其經(jīng)LED陣列、LED電源電路、及輸出反饋和補(bǔ)償電路進(jìn)行，其中光探測器電路提供與落在光傳感器上的光量成正比的電壓信號，該電壓信號饋給LED電流的驅(qū)動控制電路以獲得所希望的光輸出，所述光輸出由跨光探測器電路的光傳感器電壓設(shè)定點(diǎn)測量。
文檔編號H05B33/02GK101731023SQ200780053442
公開日2010年6月9日 申請日期2007年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者托尼·邁耶, 雷恩·吉姆, 馬克·弗農(nóng) 申請人:托尼·邁耶;馬克·弗農(nóng);雷恩·吉姆