用于海上工业的深海led的最新进展
作者:K. R.哈迪，M. S.奥尔森，B. P.拉金，K. A.斯蒂夫斯，J. R.桑德森，J. E.西蒙斯，P. A.韦伯
水下干预,2009
图1。DeepSea Power & Light®的LED Multi-SeaLite®额定6,000米和2000流明输出在冷白色。该设计保留了DSPL流行的Multi-SeaLite®的细长形式。(DSPL照片)
本文讨论了伍兹霍尔海洋研究所的加拿大水下机器人DSV ALVIN和一名海底电影制作者最近在海上的经验。
深海电力与照明®(DSPL)自25年前成立以来一直从事先进的水下照明，包括LED照明在恶劣环境中的应用超过10年。
我的介绍。
发光二极管(led)由于其亮度、色质、功率效率和坚固耐用性，在海底照明中越来越多地被发现。作者以前的论文和文章已经讨论了气体放气灯[1]、[2]、[3]的区别和优点，而流行的海上贸易杂志上的其他文章已经量化了它们在反射镜、替代光源和最小后向散射[4]、[5]、[6]的最佳定位方面的应用。除了LED技术的快速改进，电子驱动器已经变得更加紧凑和越来越高效，提供了热回滚、调光和恒流输出的大范围AC/DC选项。DSPL的工程师已经制造了压力保护和压力均衡LED和驱动器电子设备，一些充油LED阵列和驱动器成功地在20,000psi的全功率下工作。
2led技术综述
正如“发光二极管”的名字所暗示的那样，LED是一种由几层半导体材料组成的电子元件。电能通过二极管驱动，在二极管中被束缚的电子捕获，然后释放出一种非常窄的彩色光谱的电能。通过一种叫做“掺杂”的过程，可以产生不同颜色的光。在这种过程中，特定的杂质被有意地引入极纯的半导体元素(通常是硅或锗)中，从而改变其物理和电学特性。
令人惊讶的是，大多数白光led实际上是蓝色的led，表面涂有单一的磷化合物，吸收窄谱蓝光，并将其重新辐射为广谱白光。令人印象深刻的是，当看到一个高亮度的白光LED时，这个过程是多么的有效。
与传统的灯丝或气体放电照明相比，led具有以下重要优点:1)快速开关;2)提高效率;3)调暗保持颜色不变;4)耐振动和冲击;5)使用寿命长;6)特殊的浅色选择，不漏光滤镜;7)能够在空气中运行灯，而不会有因过热而损坏光源和反射镜的风险。
LED是电子电路的一部分。其他部分是电源和称为“驱动器”的电流控制器。
led的特点是:
亮度:警告:制造商现在在他们的规格表上放置“视力咨询声明”安全警告。一家制造商警告说:“用户应该注意不要盯着这种LED产品的光看。强烈的光线会伤害眼睛。“[7]
流明与瓦特:led产生的白光是同等功率的白炽灯的五倍。因此，说熄灯(流明)比说通电(瓦)更实际。“流明”是人眼所感知到的光的量度。
热量:LED仍然会产生热量，这些热量必须从LED上被吸走。幸运的是，凉爽的海洋是一个巨大的散热器。
功效和效率:“功效”是发光量(流明，“L”)除以输入功率(瓦，“w”)的比值，写成L/w。“效率”是可见能量输出(瓦)与电能输入(瓦)的比率，或瓦/瓦，一个无量纲的数字。
大多数LED制造商报告说，在理想情况下，通过短电脉冲和瞬时光测量来优化效果。
可靠性:led是固态器件，对冲击高度敏感，提高了其在海上条件下的操作稳健性。
寿命:LED寿命或“流明维护”是指LED达到初始光输出的70%[9]所需的时间。
制造商公布的单个led的寿命评级可达50,000小时甚至更多，但这些都是在受控实验室条件下的最佳情况。一个更真实的模拟是一个密集的LED阵列在中午热甲板上的空气中运行。DSPL提供了一个热回滚电路来减少电流并使led变暗，在不完全关闭灯的情况下降低热量。热切断开关提供了次要的安全功能。
色温:光的“白度”与黑体的“色温”有关，用开尔文(oK)表示。想象一下熔融玻璃的红橙色，以及铁匠铺里滚烫的钢的红橙色。颜色只取决于温度，而不是温度下的材料种类。晴天的自然阳光约5880oK。温度较高的白色(7000oK)有更蓝的色调，而温度较低的白色(4000oK)有更红的色调。
反射器:led的光主要向外垂直于模面，呈“余弦”分布。这意味着当角度下降到与模面平行时，投射的光更少。紧凑的反射器和微透镜是捕获和重新定向投射光所需要的，要么作为聚光灯，以最大的距离，或泛光灯，以广泛的区域照明。
3led技术的进步
在过去的一年里，LED技术的主要进步发生在以下领域:A)功率输入光输出的增加(流明/瓦)，B)多芯片封装，C)最小封装尺寸，D)驱动器。
答:改善效果
在过去的一年里，商业上可用的效率已经从350mA时的80 lm/瓦，上升到350mA时的110 lm/瓦。2008年11月，一家制造商宣布在实验室实现了173 lm/watt的持续功率，预示着将继续进步。额外的好消息是，前面放出的光越多，后面放出的热量就越少。
高亮度led通常用于350mA的光输出。它们可以在更高的电流下运行，但不能超过制造商规定的“最大工作电流”。随着功率的增加，光输出增加，但流明/瓦特降低。不同的是更多的热量从后面散发出来。
图2。Cree MCE 4芯片LED允许更多的光从单个封装，而每个模具运行在一个较低的温度。[10]
b . Multi-chip包
为了以最小的热量最大化光输出，一些LED制造商现在将多个LED模封装在一个硅胶圆顶下。这允许更高密度的led，每个工作在他们的额定功率。
市面上的产品有欧司朗OStar(6个模具)、Cree MCE(4个模具)、首尔半导体P7(4个模具)、首尔Acriche。Cree MCE在4瓦功率下输出430流明(图2)，而首尔P7在4瓦功率下输出360流明。Acriche使用两个平行但反向的36个微型led串(每个部分共72个)，利用它们的单向电流流动特性直接校正两个交流半波。唯一的其他必需的部分是一个限流电阻，和一个热切断开关。虽然这种电路是最简单的，但它不适合广泛的调光选项，对过电压瞬变非常敏感，并可能在一些视频系统中产生闪烁问题。最好的Acriche只能产生46 lm / watt，这意味着浪费了更多的热量。
C.最小包装尺寸
至少有两家制造商正在生产装着高亮度led的最小包装。他们首先将模具安装在稍大的陶瓷基板上，然后只添加少量的其他东西。Cree XP(图3)和Philips Luxeon Rebel(图4)就是这种方法的例子。
图3。克里XP-E LED结合了最小的占地面积和最高的光输出目前可用的单模LED。[11]
图4。飞利浦Luxeon Rebel为空间受限的固态照明应用提供了一个独特的包。[12]
DSPL开发了一系列高效、紧凑的驱动电路，以适应海上作业中常见的各种电源。低电压直流(9-32VDC)，适应广泛的电池电压范围。高压交流/直流通用输入(85-132VAC 50/60Hz，或190-265VAC 50/60Hz)，隔离反激和非隔离降压/升压转换器，加上功率因数校正设计都是可用的。小型化的紧凑性一直是主要的设计考虑。DSPL开关模式调节器提供超过93%的效率。
除了DSPL的温度监测电路防止过热，led消除了HID和氙气镇流器的启动/冷却要求。DSPL LED Multi-SeaLite像手电筒一样容易使用。
E. LED流体补偿问题
流体补偿问题一直是一个随机、神秘和复杂的问题。大多数DSPL压力补偿LED灯显示没有问题。但也有少数发光二极管的一小部分是棕色的。DSPL的工程师最初怀疑荧光粉层受到了污染，但一家合作的主要LED制造商后来发现，他们的一些不含荧光粉的蓝色LED出现了褐变。DSPL和LED制造商的调查已经产生了越来越多的感觉，这不是补偿液本身的问题，而是它作为载体的能力，将系统中的污染物移动到模具上方的区域。在那里，光和热的结合会使硅树脂变成棕色。未清洁的焊剂残渣是一个潜在的污染源。将led置于某些硅橡胶中可以防止化学物质的迁移。彻底消除这一问题仍然是密集研究的目标。
四、现场经验
图5。伍兹霍尔海洋研究所的DSV ALVIN搭载着MSNBC《今日秀》的联合主播Ann Curry，与8个DSPL LED SeaLites进行水下探险，3个在左舷，3个在右舷，1个在前方，1个在腹部。完整视频见[13]。
伍兹霍尔海洋研究所著名的载人潜水器DSV ALVIN已经使用了多达8个2000流明的DSPL LED SeaLites®．LED灯的效率允许WHOI飞行员在同一电路上操作三个LED灯，一个白炽灯之前运行。2008年3月，在北侧9号热液喷口，飞行员报告说在所有灯都不间断的情况下，在海底航行了6公里，这在实际操作中尚属首次。
b . ROV ROPOS
图6。加拿大科学潜水设备- ROPOS ROV在评估潜水前使用DSPL的LED-MultiSeaLite®(红色箭头)和其他灯。[图片来源:Reuban Mills, ROPOS]
鲁班报告说，“灯光很棒，应该非常适合以这种效率部署仪器。高清视频的400w, 150w和LED是相当惊人的。”
我们对现场单元的光束控制印象非常深刻，就像一个大型激光笔!我已经为今年冬天为阿尔伯塔大学(University of Alberta)建造的8个摄像头3D成像阵列配置了这些灯。”
图8。无畏的海底电影制片人兼博物学家斯科特·卡塞尔手持一只活的7英尺长的洪堡乌贼。Scott在他的拍摄中尝试了DSPL LED Multi-SeaLites和相机。[Ivo Kocherscheidt摄，2007年。]使用许可。)
水下电影人和水下拓荒者斯科特·卡塞尔(http://www.underseavoyager.org/)最近将一个DSPL微光相机与两个LVDC led - sealite组合在一起®潜水拍摄他最喜欢的拍摄对象贪婪的洪堡乌贼
Scott称这种白色的DSPL为LED-SeaLites®”,非常棒。“那盏灯是我用过的最好的灯，”斯科特说。“它是耐用的，宽光束和清澈的白色。它非常适合夜视系统(我会用灯发现乌贼，然后关掉灯让NV捕捉图像)。它非常适合播放高清视频。”
诉的未来发展
DSPL继续改进现有产品，并开发下一代深海、轻质LED灯，包括大面积面板灯。压力补偿和热提取的新方法将创造一些人类制造的最独特的用于海上的灯。
某些应用需要调光，DSPL适应于工业中使用的众多调光接口，包括隔离和非隔离控制电压(0-10VDC)，电流环(4-20mA)， PWM和串行通信。
六。结论
LED灯继续向水下照明领域进军，提供多种颜色、高亮度、安全、灵活性、可靠性和效率。
致谢
作者感谢并感谢WHOI ALVIN集团，特别是Rick Chandler, Pat Hickey, Mark Spear, Bruce Strickrott和Rod Catanach，他们无限的鼓励推动了深海LED灯的能力。这些人反映了海洋学中最好的航海传统。
我们感谢ROPOS的Reuben Mills对LED-SeaLites的beta版本进行了现场测试®．这样的反馈有助于验证和引导设计。
作者赞扬了Scott Cassell早期对洪堡乌贼捕食行为影响的描述和理解，并将这些知识分享给有一天可能会受到影响的普通观众。
脚注和参考文献
更新:请注意部分链接可能已过时
[1]“海洋应用的高亮度发光二极管”，K. R. Hardy, M. S. Olsson, J. R. Sanderson, B. P. Lakin, J. E. Simmons, P. A. Weber，海洋2007论文集，加拿大温哥华
“大功率发光二极管的水下应用”，M. S. Olsson, K. R. Hardy, J. R. Sanderson，海洋技术杂志，2007年8月，第48卷第8期，第31-34页
“高亮度发光二极管的水下应用”，干预2008 K。R.哈迪，M. S.奥尔森，J. R.桑德森，B. P.拉金，J. E.西蒙斯，P. A.韦伯，水下干预2008论文集，新奥尔良，洛杉矶
[4]“水下灯光和摄像机的最佳照明几何，系列第1部分”，K. R. Hardy, M. S. Olsson, P. A. Weber，海洋新闻与技术杂志，2008年9月，第14卷第6期，第24-25页
[5]“水下光反射器设计，系列第二部分”，K. R. Hardy, M. S. Olsson, P. A. Weber，海洋新闻与技术杂志，2008年10 / 11月，第14卷第7期，第24-25页
[6]《取代黑暗:深海中的光》，K. R.哈迪、M. S.奥尔森、P. A.韦伯，《海洋新闻与技术杂志》，2008年12月，第14卷第8期，第32-35页
Cree X-Lamp XR-E系列LED，数据表，CLD-DS05.010, 2008，第10页
[8] <http://en.wikipedia.org/wiki/Efficacy>
固态照明与技术联盟
www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/index.asp
[10]http://www.cree.com/press/enlarge.asp?i=1222956766040
[11]http://www.cree.com/press/enlarge.asp?i=1218054776786
[12]http://www.philipslumileds.com/products/show.cfm?imgId=38
[13]http://today.msnbc.msn.com/id/26184891/vp/27641853#27641853，寻找名为“安去海底”的节目。