LED多波長(zhǎng)光源轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)

李菲 馬慧瑩 劉喜強(qiáng) 王巖

摘要：相比于傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）具有光譜帶寬窄、能量集中、體積小、成本低等諸多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[1-3]，但LED光源系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的光源輸出。目前市場(chǎng)上存在的LED多通道光源，較多的也只是4個(gè)LED光源，同時(shí)LED光源出射光功率損失較大，通過光源驅(qū)動(dòng)控制各自的LED，無法實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)LED在特定方向上的發(fā)光，這難以滿足科研工作中單色性好且多波長(zhǎng)激發(fā)光源的需求[4-6]，這限制了LED光源系統(tǒng)的應(yīng)用。為了拓展LED光源系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)LED光源在多種檢測(cè)儀器的應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)了基于LED高功率多波長(zhǎng)光源轉(zhuǎn)換裝置及其控制方法，主要通過高功率單色性光源的多波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方便實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)LED光源的發(fā)光照明及光源的精確指向，實(shí)現(xiàn)光源兼顧高單色性和高功率，并且波長(zhǎng)可變的基本要求，在滿足最大激發(fā)光強(qiáng)的條件下，使得儀器能夠?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)的光源轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：LED;多波長(zhǎng);轉(zhuǎn)換

一、設(shè)計(jì)思路與工作過程

本裝置設(shè)計(jì)圖如圖1所示。采用多種波長(zhǎng)LED光源，在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上固定有光源支架，該光源支架的光源安裝卡槽中安裝有所述的LED，每個(gè)光源安裝卡槽（也稱為：光源安裝孔）中安裝的LED的波長(zhǎng)不同，所有的LED共同構(gòu)成多波長(zhǎng)LED光源;所有的LED的陰極與光源控制芯片連接;所有的LED的陽(yáng)極與光源控制系統(tǒng)連接;該光源控制系統(tǒng)包括：電流控制開關(guān)，光源發(fā)光選擇開關(guān)、光源脈沖觸發(fā)端口和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制電路;在LED的光束出射口上設(shè)有光源的耦合準(zhǔn)直系統(tǒng)。下面將詳述該裝置的結(jié)構(gòu)和工作過程。

該裝置中，軟件設(shè)置主要包括三部分，分別為旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制、光源波長(zhǎng)選擇控制及光源控制。

a.首先通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制使得平臺(tái)旋轉(zhuǎn)到所需角度：首先使得平臺(tái)旋轉(zhuǎn)置零，設(shè)置平臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向，可選擇順時(shí)針或者逆時(shí)針，在絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度輸入命令中輸入所需角度，然后按確定鍵，即可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的特定方向旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)控制還可以實(shí)現(xiàn)角度的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，即相對(duì)于現(xiàn)有的平臺(tái)角度，平臺(tái)需要旋轉(zhuǎn)的度數(shù)，主要應(yīng)用在光源波長(zhǎng)連續(xù)改變的儀器中。

b.光源波長(zhǎng)選擇主要是軟件設(shè)置的快捷鍵，該不同波長(zhǎng)選擇鍵與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)角度固定，當(dāng)選擇不同的波長(zhǎng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)就會(huì)旋轉(zhuǎn)到與波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的平臺(tái)角度，快速地實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的光源方向定位。

c.最后進(jìn)行光源控制，包括光源的電流控制、脈沖觸發(fā)端口開關(guān)及光源發(fā)光選擇。通過滑動(dòng)光源電流開關(guān)的按鈕進(jìn)行光源亮度調(diào)節(jié);在需要對(duì)光源進(jìn)行外部觸發(fā)調(diào)節(jié)時(shí)打開脈沖觸發(fā)端口開關(guān);然后對(duì)光源發(fā)光選擇進(jìn)行控制，按下所需要波長(zhǎng)的光源開關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)不同發(fā)光波長(zhǎng)光源的發(fā)光。

d.該控制軟件具有可調(diào)整性，可根據(jù)光源在不同環(huán)境下的使用，手動(dòng)對(duì)光源波長(zhǎng)選擇下的按鍵進(jìn)行重新調(diào)節(jié)和設(shè)置，尤其是當(dāng)選擇不同的光源波長(zhǎng)時(shí)，需要對(duì)波長(zhǎng)選擇快捷鍵進(jìn)行重新設(shè)置時(shí)使用。

二、操作步驟與設(shè)計(jì)原理

第一，調(diào)試多波長(zhǎng)光源轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1，如圖2所示。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1主要作用是將固定在平臺(tái)面上的光源支架3及其光源4進(jìn)行不同方位的精確旋轉(zhuǎn)，提供光源（LED或LD）的方向指向，通過計(jì)算機(jī)控制程序或軟件2對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精確控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)順時(shí)針和逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)，又可實(shí)現(xiàn)360度角度內(nèi)任意方向的精確定位。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上具有不同尺寸螺孔，用于固定光源支架3，使得光源4不同波長(zhǎng)發(fā)光光源與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)位置固定，從而實(shí)現(xiàn)通過旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)控制光源波長(zhǎng)的精確指向。

第二，不同波長(zhǎng)光源4與光源支架3的安裝示意圖，如圖3所示。其中光源支架3為多邊形、圓形或者任意面形設(shè)計(jì)，多邊形每個(gè)面安裝一個(gè)光源4，或者不同波長(zhǎng)光源平均分布在圓形邊上，為了美觀及其對(duì)稱性，光源支架3可根據(jù)實(shí)際需要采用不同的多邊形，如三邊形、四邊形、五邊形等，需要的不同波長(zhǎng)LED或LD光源數(shù)量越多，多邊形邊數(shù)越多。多邊形每個(gè)邊都設(shè)有光源安裝卡槽5，光源卡槽的形狀根據(jù)LED或LD的型號(hào)選擇而不同。不同波長(zhǎng)的光源3安裝在多邊形的每個(gè)邊的光源卡槽5內(nèi)，從而形成一個(gè)具有多種波長(zhǎng)的光源。圖13展示的為六個(gè)波長(zhǎng)的光源轉(zhuǎn)換裝置，在每個(gè)邊上安裝不同波長(zhǎng)的光源，（波長(zhǎng)選擇根據(jù)實(shí)際需要裝配），從而實(shí)現(xiàn)了六個(gè)波長(zhǎng)的光源設(shè)計(jì)。

第三，多波長(zhǎng)光源的控制系統(tǒng)，如圖4所示。所示的多波長(zhǎng)光源頂端（即多邊形支架頂端）為光源蓋板6，光源蓋板6主要保護(hù)光源內(nèi)部的光學(xué)元件。蓋板6上安裝光源控制芯片7，芯片7與所有的多波長(zhǎng)LED或LD陰極連接，形成光源的共陰極結(jié)構(gòu)，光源的陽(yáng)極則與光源控制系統(tǒng)連接在一起，光源控制主要包括：電流控制開關(guān)8，光源發(fā)光選擇開關(guān)9，光源脈沖觸發(fā)端口10，其中，電流控制開關(guān)8主要調(diào)節(jié)光源的發(fā)光強(qiáng)弱，光源的強(qiáng)度調(diào)節(jié)既可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)光信號(hào)的強(qiáng)弱，也可以實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的發(fā)光強(qiáng)弱。光源發(fā)光選擇開關(guān)9主要實(shí)現(xiàn)控制不同LED或LD的同時(shí)發(fā)光或者單個(gè)發(fā)光，光源脈沖觸發(fā)端10主要針對(duì)在LED 或LD的脈沖調(diào)節(jié)時(shí)，可以通過外界信號(hào)對(duì)光源的發(fā)光進(jìn)行脈沖調(diào)制。總之，多波長(zhǎng)光源控制系統(tǒng)，既可以實(shí)現(xiàn)不同LED或LD的同時(shí)發(fā)光或者單個(gè)發(fā)光，也可以調(diào)節(jié)發(fā)光光源的電流強(qiáng)度，控制光源的發(fā)光強(qiáng)弱，同時(shí)通過脈沖觸發(fā)端口，對(duì)發(fā)光LED或LD進(jìn)行脈沖調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了光源的波長(zhǎng)選擇發(fā)光、脈沖調(diào)節(jié)、光源的發(fā)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)的基本功能。

第四，多波長(zhǎng)光源安裝結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示。系統(tǒng)的主要部件包括：旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1及控制程序2、光源支架3，不同波長(zhǎng)光源4，光源安裝卡槽5，光源控制系統(tǒng)，耦合準(zhǔn)直系統(tǒng)11及外罩12等。其中，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1位于多波長(zhǎng)光源最底端，與計(jì)算機(jī)旋轉(zhuǎn)控制程序2相連接，該結(jié)構(gòu)完成整個(gè)光源的定向指向功能，光源支架3固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)1上，與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相對(duì)位置固定，通過在光源支架不同位置安裝所需要的不同波長(zhǎng)LED或LD等光源3，在光源的波長(zhǎng)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)向角確定后，可實(shí)現(xiàn)不同旋轉(zhuǎn)角度下的發(fā)光波長(zhǎng)的精確控制。在光源支架3上安裝光源的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含光源支架上的蓋板6、芯片7及調(diào)節(jié)旋鈕（電流控制調(diào)節(jié)8、波長(zhǎng)選擇開關(guān)9、脈沖觸發(fā)端口10），該結(jié)構(gòu)主要完成光源的發(fā)光強(qiáng)度調(diào)節(jié)、波長(zhǎng)選擇及脈沖調(diào)節(jié)功能。光源主體結(jié)構(gòu)放置在外罩12中，外罩12有一個(gè)出光孔，使得所需要的波長(zhǎng)的光源出射，在外罩12上有安裝卡槽，能夠連接耦合準(zhǔn)直裝置11，由于光源發(fā)光為發(fā)散光，當(dāng)發(fā)散光經(jīng)過耦合準(zhǔn)直裝置11時(shí)，使得光源發(fā)出的光束變?yōu)槠叫芯鶆?，光束角度被壓縮，從而實(shí)現(xiàn)光源對(duì)所需區(qū)域進(jìn)行均勻照明。耦合裝置11根據(jù)實(shí)際的光源運(yùn)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇安裝。

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