通过LED固态照明技术提高人机界面的质量

人机界面（HMI）是物理，电子或虚拟环境，人类操作员和机器之间发生交互。用户界面上人与机器之间交互的目的是有效地操作和控制机器或系统，并监控来自机器的反馈，这有助于操作员做出操作决策。

示例用户界面中的HMI包括计算机操作系统，手动工具，重型机械操作员控制和过程控制的交互方面。在创建用户界面时适用的设计考虑涉及人体工程学和心理学等多种学科。

LED和相关的固态照明技术在人机界面和图形用户界面（GUI）中越来越多地使用，这两者都是关键特性现代工业控制系统。各种可见光谱颜色的各个LED用作可变条件指示器，而它们的条带和块也可以作为背光板配置在面板显示器中，通常与LCD覆盖层配合使用。

最新的防爆范围，基于LED的HMI提供了巨大的优势，不仅在显示方面，而且在能效，可靠性和延长的使用寿命方面（图1）。这是由于使用了LED背光技术，这需要高达传统冷阴极荧光灯（CCFL）显示器所用能量的一半。

图1：R Stahl的Screen-Tec T-Ex系列防爆HMI由于采用了LED背光技术，因此具有显示质量和能效优势。

通常情况下，基于LED的显示器使用大约40-50 W，而类似的CCFL显示器使用至少75 W.与频繁闪烁和故障相比，LED背光显示器的另一个优点是LED的寿命相对较长。 CCFL光源。此外，与CCFL背光相比，LED背光可以产生更大范围的色彩。

对比度为1000：1，基于LED显示屏的HMI非常明亮，使用户可以轻松看到过程信息。此外，基于LED的背光显示器不含任何汞，镉或铅，这意味着它们比传统的CCFL显示器更容易回收和处理。

图2：来自Chicago Miniature Lighting的高亮度面板安装LED系列样品。

考虑到许多HMI系统位于恶劣环境，制造或加工行业，抗冲击和振动，以及几乎总是需要加热，灰尘和液体进入。 Chicago Miniature Lighting最新系列的面板安装LED指示灯，包括700多种元件和组合，涵盖各种尺寸，颜色和电压范围，专为冲击和振动可大大缩短传统灯泡寿命的应用而设计（图2） ）。这些持久耐用的设备 - 平均寿命通常为100,000小时（比白炽灯等效时间长30-50倍） - 功耗也相对较低。

采用最新的铟 - 氮化镓和铝 - 铟 - 镓 - 磷化物模具技术，有多种颜色可供选择，LED单元可提供哑光，缎面或黑色铬边框以及各种各样的镜片形状和大小。为了应对恶劣的环境，所有部件的额定值均为IP40或IP67。 Chicago Miniature Lighting表示，这些面板安装LED非常适用于工业控制面板或其他苛刻环境等应用。它们也非常适合运输应用，如飞机驾驶舱照明，铁路，卡车和公共汽车，船舶，石油钻井和其他要求苛刻的应用。

图3 ：工业光纤IF-E93是一款高输出绿色LED，采用无连接器塑料光纤封装。

除了能够承受高温和灰尘和液体等环境威胁外，工业网络和HMI系统通常必须设计成避免产生静电干扰，这种干扰可能会在某些气体或粉尘条件下引起爆炸，或损害敏感的分析测量。这些考虑使光学而非电子通信具有吸引力。因此，除了用于读数和显示背光外，LED光源还用于HMI和SCADA（监控和数据采集）系统中的数据传输。

例如，工业光纤的IF-E93是一款高输出，高速，绿色LED，采用无连接器型塑料光纤封装（图3）。绿色LED的输出光谱由氮化镓染料产生，其在530nm的波长处达到峰值，理想地映射到PMMA塑料芯光纤的最低衰减窗口，其可以是有效的工业通信介质，更灵活并且比玻璃纤维更容易制备。 IF-E93采用内部LED微透镜，PBT塑料外壳可确保与标准1000μm芯塑料光缆的高效光耦合。

IF-E93的高输出和快速过渡时间使它适用于低成本的数字数据链路。当耦合到PMMA塑料光纤时，衰减小于0.1 dB/m，而常用的650 nm LED的衰减小于0.16 dB/m。 IF-E93 LED使用标准的1 mm芯塑料光纤，数据速率为5 Mbit/s时，距离超过150 m。此类LED的典型应用是用于局域网（LAN），光学传感器，机器人通信，调制解调器和荧光仪器中的通信。

该产品系列中的所有设备均设计用于工业通用1.0毫米或1000微米芯塑料光纤。典型的光纤电缆的结构是PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）芯，薄的氟化聚合物包层和称为护套的附加层，导致总直径为2.2mm。与市场上许多其他光纤LED和光电探测器相比，工业光纤表示其设备不需要在光纤端进行光纤连接或抛光。没有连接意味着用户和网络建设者的成本降低，他们只需要使用锋利的刀或剃刀刀片正好切割光纤以准备操作。

测试和测量

图4：测试和测量中的HMI龛具有多种要求，包括仪器;生产，试验和产量分析;检查;和合规性测试。 （照片来源：Lumex）。

位于美国伊利诺斯州Palatine和***Chu Dung的Lumex认为测试和测量（T＆amp; M）市场 - 通过HMI解释工业加工的关键方面系统 - 应用程序的本质面临着独特的挑战。由于包括基于LED的应用在内的光电子学的使用在T＆amp; M中迅速扩大，因此客户经常寻找单一的供应商合作伙伴来减轻来自多个供应商的采购负担（图4）。

30多年来，Lumex一直是光电子行业的重要参与者，拥有广泛的高效率，高性能LED和LCD系统，包括标准产品和定制设计。该公司的光学系列包括广泛的光谱，包括紫外，可见和红外波长。

通过与各种T＆amp; M公司合作，Lumex定期为这些市场推出新颖的光电和显示技术。据报道，其LED和LCD解决方案系列使客户能够将其应用程序的性能和耐用性提升到更高水平。产品系列包括：大功率LED;表面贴装和通孔LED;红外设备; LED显示屏，阵列和背光源。

值得注意的是Lumex产品系列近期增加了一个“极端温度”产品系列，包括：-40°C至85°C单色LCD系列;高温LED背光，工作温度高达100°C;和电容式触摸屏TFT模块。

Lumex是ITW Photonics集团的合作伙伴公司，该集团旨在汇集和发展专注于光子技术的各个公司的技术专长，并涵盖全方位的光谱技术。波长该集团包括：Lumex（LED和LCD技术）;校准传感器（红外探测器和发射器）;和Opto Diode Corp（LED，硅光电二极管和电光组装技术）。 ITW一起为工业控制，医疗和军事领域提供光子解决方案。

LED对于显示器发展至关重要

位于马来西亚的Avago Technologies公司承认使用红色，绿色和蓝色用于背光液晶显示器（LCD）面板的LED是在显示器和电视中实现卓越色域的“必须”。该公司固态照明部门的作者Mok Thye Linn于2010年3月发表题为“用于LCD监视器和电视背光的超薄型RGB LED模块”的白皮书中评论说，“使用RGB-LED背光的权衡包括效率和成本LED组件。“

需要一个新的封装来妥善解决这个LED背光市场。因此，Avago Technologies开发了一种板上芯片（COB）封装，它结合了紧凑和薄型封装外形，良好的色彩混合和高效的热管理。该封装表明COB技术仍然是LED封装设计人员的一个有吸引力的选择，因为它具有成本效益和结合简单电气连接的能力。

每年生产数亿个LCD面板。根据Avago的说法，2010年，不到1％的人使用RGB LED进行背光照明。已经提出许多RGB LED解决方案来解决这个市场，但是它们都不能满足薄型，良好的颜色混合，简单的热管理，即插即用和成本效益的要求。冷阴极荧光灯（CCFL）仍然是LCD显示器和电视的行业标准。分立式LED封装因其更大的尺寸和色彩混合和热管理所需的额外工作而无法经济地替代CCFL解决方案。为了加速在LED系统中常用的LCD监视器中采用RGB LED背光，Avago Technologies开发了板上芯片封装RGB LED光源，如图5所示。

图5：Avago的板上芯片封装，旨在加速将RGB LED背光应用于液晶显示器，常用于HMI系统。

工业迁移到全LED线

2011年5月在洛杉矶举行的信息显示学会第49届年度显示周展览会上，夏普宣布推出新的和替换LED背光面板以满足客户需求并继续从CCFL-LCD迁移产品采用全LED背光阵容。

夏普表示，“这些显示器的特性规格非常适合满足工业应用市场的苛刻要求。这些产品包括出色的可视性，抗机械冲击和振动性能，极长的使用寿命和极端温度下的性能 - 包括上电时达到全亮度，无论环境温度如何。与基于CCFL的产品相比，LCD中的LED背光有助于降低功耗并降低电磁干扰（EMI）。 LED也不含汞，进一步提高了LED背光LCD产品的环保性能。夏普表示，其目标是帮助客户从CCFL产品转向LED背光显示器，并帮助设计人员更好地了解相关技术优势和设计考虑因素。

结论

围绕在人机界面中使用LED和相关技术的几种趋势正在出现。虽然与许多其他照明和照明领域一样，主导技术仍然是白炽灯泡和传统的冷阴极荧光灯，但LED和其他固态照明技术的兴起似乎是不可逆转的。

原因很明确：更大范围的可控颜色和输出功率，更好的电气和热效率，简单集成到灵活的控制和监控系统，以及坚固的结构，可以应对恶劣的工业环境。

外部因素监管（无论是来自政府或工业标准机构）是否符合环境和能源标准以及LED相对较低的单位成本，人们可以预期，在不久的将来，LED技术将在HMI系统中发挥主导作用。